Конец науки

Акимов О.Е.

5. Стивен Вайнберг: Через схоластику к единству!

• Единая Физика к 2050?
• Из книги "Мечты об окончательной теории"
• Предисловие
• ГЛАВА I. Пролог
• ГЛАВА II. О кусочке мела
• ГЛАВА III. Похвала редукционизму
• ГЛАВА IV. Квантовая механика и ее критики
• ГЛАВА IX. Контуры окончательной теории
• ГЛАВА X. На пути к цели

Посмотрите, чем заняты наши современные физики. Основная их цель отыскать такую чудо-теорию, которая бы описывала все виды взаимодействия — гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Ну, скажите, чем они лучше средневековых алхимиков, схоластов, утопистов и изобретателей вечного двигателя? Разве вся предыдущая история науки не доказывает, что необходимо всегда отталкиваться от конкретного предмета исследования, который мы держим в руках, и гнать, гнать, гнать от себя всякую манящую предвзятость под вывеской глобальной общности и универсальности. Этим и только этим конструктивный подход отличается от спекулятивного формально-феноменологического.

Человечество уже ставило перед собой цели: изобрести такой двигатель, с помощью которого можно было бы непрерывно черпать полезную энергию; найти такой философский камень, с помощью которого можно было бы любой металл превращать в золото; приготовить такое снадобье, с помощью которого можно было бы вылечить человека от всех болезней; создать такой логический метод, с помощью которого можно было бы решить любые правовые и жизненные коллизии; установить в обществе такое управление, с помощью которого можно было бы избавить человечество от бедности и преступлений. И вот перед нами новая «благородная» цель: сочинить такую фундаментальную теорию, с помощью которой можно было бы решить любую физическую задачу. Скромности людям не хватает, в погоне за всем они ничего не получат — так и умрут со своими дурацкими иллюзиями о божественном единстве.

Считается, что между гравитационным, электромагнитным, слабым и сильным взаимодействиями разница примерно такая же, как между воздухом, водой, землей и огнем в древней метафизике. Однако конструктивно думающие физики, в частности, Дж. Дж. Томсон, уже с позапрошлого века высказывали обоснованное предположение, что инерционные и гравитационные свойства материи носят исключительно электромагнитную природу. Вряд ли можно сомневаться, что различие между всеми четырьмя взаимодействиями состоит в каких-то принципиально различных силах природы. Скорее всего, это различие заключено в различных механизмах проявления одной и той же силы. Достаточно вспомнить, что уравнения электродинамики во многом аналогичны уравнениям гидромеханики.

Теперь спросим современных физиков: как можно создавать «Единую Теорию Всего» без отчетливой модели гравитационного взаимодействия? Ответа на этот вопрос мы, конечно, не услышим, зато, как и в прошлые века, ученые-утописты, фантазирующие на ниве «коммунистической» физики, заняли в научном сообществе самые передние и почетные места. Справедливо и обратное утверждение: если какая-нибудь концепция начинает пользоваться всеобщим вниманием околонаучных журналистов, философов и молодежи, знайте, она обладает всеми чертами дешевого легкомыслия.

Немногочисленная группа высокопоставленных схоластов с помощью наукообразных словечек вроде «эйнштейновский постулат», «принцип неопределенности Гейзенберга», «стандартная модель» и т.п. сообщает своим сомнительным построениям догматическую форму, не терпящую никаких возражений. Впоследствии научные журналы отказываются рассматривать статьи, авторы которых критикуют, например, теорию относительности или пытаются дать свою собственную интерпретацию волновой функции, отличную от интерпретации Бора. Вместо адекватных моделей нам демонстрируют художественно выполненные картинки Большого Взрыва, квантового излучения черных дыр и прочих несуществующих явлений, нарисованных экзальтированными художниками-компьютерщиками. Так, путем обмана и принуждения завоевывается всеобщее «признание» рядовых ученых и в обществе в целом устанавливаются ложные представления о мир.

В предыдущем разделе Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз продемонстрировали нам мастерское владение формалистскими приемами. Этими качествами современная наука отличается от классической, конечно, прежде всего. Специалисту-конструктивисту достаточно просмотреть небольшой фрагмент текста, написанного формалистом, чтобы понять, что он имеет дело с бесполезными спекуляциями. Но есть, быть может, еще более характерное отличие ученого XX–XXI веков от ученого XVIII–XIX веков — это тенденция к всеобщности и универсальности знаний, о чем уже отчасти говорилось выше. Нынешнему естествоиспытателю кажется, что он стоит на пороге создания окончательной теории, после которой ничего существенного уже нельзя будет открыть. Ученые не исчезнут совсем, так как останется множество частных задач по согласованию фундаментальных принципов «Единой Теории Всего» с техническими проблемами реальной жизни. Но большим открытиям место уже не останется. Их совершили гении XX века вроде Эйнштейна и Бора. Сейчас осталось сделать несколько крохотных шажков, которые совершат люди, возможно, менее гениальные, чем только что названные. Ведь фундамент окончательной науки — теорию относительности и квантовую механику — заложили они, а все новые открытия будут лежать уже в плоскости существующей парадигмы.

Конструктивистам не надо объяснять, что подобные идеи являются самыми опасными для науки. Их гибельность для физиков-классиков была очевидна уже в конце XIX века, когда Мах и Пуанкаре провозгласили спекулятивные принципы позитивизма. Тогдашние студенты радовались оригинальности революционного подхода, хотя в действительности те предлагали старую как мир философию софистов. Аналогичное томительное и вместе с тем обнадеживающее предчувствие овладевало учеными Средневековья. Каждый алхимик и схоласт видел свое предназначение в отыскании лишь последнего звена в длинной цепи теоретических и экспериментальных поисков, которое сообщит всем ранее накопленным знаниям волшебную силу. Они не понимали эпистемологической пагубности этой психологической иллюзии. Дело в том, что совершенная закругленность сообщалась теоретическим знаниям искусственно. Универсальные учения специально «затачивались» под пирамидальную форму, путем сужения эмпирической базы. Формалисты не предлагали конкретные модели для объяснения отдельных явлений, через систему абстрактных понятий они объединяли их в постепенно уменьшающиеся группы. Они видели, как электрические явления объединились с магнитными, а электромагнитные с оптическими, но они не хотели замечать экспоненциального роста неизвестных фактов.

В общем, ощущение неудовлетворенности от неполноты и неопределенности существующей картины мира испытывает любой человек, погрузившийся в науку. Однако среди огромного числа скептиков, занимающихся конкретными исследованиями в узкой сфере знаний и не пытающихся охватить единым взором всю картину мира, находится небольшая группа оптимистов, поверившая в свою особою миссию. Они уверены, что именно им удастся осчастливить человечество путем открытия некоего «философского камня». Многие даже убеждены, что сделали это. Их картина мира не имеет изъянов: куда не посмотри, все гладко и ясно. Такое гармоничное состояния знаний часто наблюдается у мистиков и верующих людей. Нерелигиозные оптимисты испытывают всего лишь предчувствие конца науки, т.е. определенную неудовлетворенность. Их взор уже светится радостью завершения многовекового марафона, но в их сердце таится печаль. Причина ее заключена в горестной фразе: «Я лично не увижу окончательной победы человека над темной стихией непознанного». Это смешанное чувство радости и печали пронизывает творчество Вайнберга, две работы которого мы ниже представляем. О нем в Википедии можно прочесть:

СТИВЕН ВАЙНБЕРГ (Steven Weinberg) — американский физик-теоретик, член Национальной АН (1972). Родился 3 мая 1933 года в Нью-Йорке. Окончил Корнеллский университет (1954). В 1957 – 59 гг. работал в Колумбийском, в 1959 – 66 гг. — Калифорнийском (Беркли) университетах, в 1966 – 69 гг. — в Гарвардском. В 1969 – 73 гг. — профессор Массачусетсского технологического института, с 1973 г. — Гарвардского университета. Имеет работы в области физики элементарных частиц, теории гравитации и космологии. В 1962 независимо от других ученых дал общее математическое доказательство теоремы Голдстоуна. В 1967 г. независимо от А. Салама предложил единую модель слабого и электромагнитного взаимодействий (теория Вайнберга — Салама) (Нобелевская премия, 1979). Совместно с Ю. Швингером заложил основы нового направления в физике элементарных частиц — киральной динамики. Независимо от других выдвинул гипотезу глюонов (1973). Награжден премиями Р. Оппенгеймера (1973) и Д. Хейнемана (1977), медалью Э. Грессона (1979).

Библиография

• Gravitation and Cosmology: Principles and Applications of the General Theory of Relativity (1972)
• The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe (1977, updated with new afterword in 1993)
• The Discovery of Subatomic Particles (1983)
• Elementary Particles and the Laws of Physics: The 1986 Dirac Memorial Lectures (1987; with Richard Feynman)
• Dreams of a Final Theory: The Scientist's Search for the Ultimate Laws of Nature (1993)
• Quantum Theory of Fields (three volumes: 1995, 1996, 2003)
• Facing Up: Science and its Cultural Adversaries (2001)
• Glory and Terror: The Coming Nuclear Danger (2004)
• Facing Up: Science and Its Cultural Adversaries (2003)

Единая Физика к 2050?

Стивен Вайнберг (1999)
Перевод с английского Андрея Крашеницы

Одна из главных задач физики постигать замечательное разнообразие природы единым способом. Самые большие научные достижения прошлого были шагами к этой цели: объединение земной и небесной механики Исааком Ньютоном в 17 столетии; оптики с теорией электричества и магнетизма Джеймсом Клерком Максвеллом в 19 столетии; геометрии пространства-времени и гравитации Альбертом Эйнштейном с 1905 по 1916 год; а также химии и атомной физики в квантовой механике в 20-ых годах.

Эйнштейн посвятил последние 30 лет своей жизни неудачному поиску "единой теории поля", которая объединила бы общую теорию относительности (его собственную теорию пространства-времени и гравитации) с теорией электромагнетизма Максвелла. Продвижение к объединению было сделано позже, но в другом направлении. Наша теперешняя теория элементарных частиц и сил, известная как Стандартная Модель физики элементарных частиц, достигла объединения электромагнетизма со слабыми взаимодействиями, сил, управляющих взаимопревращением нейтронов и протонов в радиоактивных процессах и в недрах звезд. Стандартная Модель дает отдельное, но похожее описание сильного взаимодействия, удерживающего кварки внутри протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны вместе внутри атомных ядер.

Рис. 1. В объединенной теории приходится иметь дело с квантовым характером пространства и времени. В области сверхмалых расстояний, пространство может быть представлено непрерывной структурой соединяющихся между собой струн и мембран, или чем-либо другим, до сего времени еще неизвестным.

У нас есть идеи относительно того, как теория сильных взаимодействий может быть объединена с теорией слабых и электромагнитных взаимодействий (такое объединение часто называется Великим Объединением, но они могут сработать только если подключить гравитацию, что само по себе является тяжелейшей задачей. Мы подозреваем, что очевидные различия этих сил обусловлены некими событиями на самой ранней стадии Большого Взрыва, а исследование деталей столь ранней космической истории, возможно, потребует более подходящей теории гравитации и других сил. Существует шанс завершить работу над Великим Объединением к 2050, но мы вряд ли можем говорить об этом уверенно.

Квантовые поля

Стандартная Модель есть квантово-полевая теория. Основные объекты такой теории — поля, включая электрические и магнитные поля электродинамики 19-го века. Колебания таких полей переносят энергию и импульс с одного места пространства в другое, а квантовая механика утверждает, что эти волны собираются в пакеты, или кванты, которые наблюдаются в лаборатории как элементарные частицы. В частности, квант электромагнитного поля — частица известная как фотон.

Стандартная Модель включает в себя поля для каждого типа элементарных частиц, наблюдаемых в лабораториях физики высоких энергий. Имеются лептонные поля, кванты которых представляют собой знакомые нам электроны, составляющие внешние оболочки обычных атомов, более тяжелые частицы, известные как мю-мезоны и тау-мезоны, а также соответствующие им электрически нейтральные частицы, известные как нейтрино. Имеются также поля для кварков различных типов, некоторые из которых связаны вместе внутри протонов и нейтронов, составляющих ядра обычных атомов. Силы между этими частицами обусловлены процессами обмена фотонами и частицами W⁺, W^– и Z⁰, передающих слабые взаимодействия, а также восемью типами глюонов, ответственных за сильное взаимодействие.

Рис. 2. Стандартная Модель физики элементарных частиц описывает каждую частицу материи и каждую силу как квантовые поля. Элементарные частицы материи — три поколения фермионов (a). Каждое поколение этих частиц имеет сходную структуру свойств. Фундаментальные взаимодействия переносятся бозонами (b), которые организованы согласно трем близко родственным симметриям. Кроме того, одна или большее количество частиц или полей Хиггса (c) порождают массы других полей.

Эти частицы демонстрируют нам широкое разнообразие масс, в котором скрыта еще не познанная нами закономерность, где электрон 350,000 раз легче, чем самый тяжелый кварк, а нейтрино еще легче, чем электрон. Стандартная Модель не предоставляет нам механизма, позволяющего рассчитать любую из этих масс, пока мы не введем в нее дополнительные скалярные поля. Слово "скаляр" означает, что эти поля не чувствительны к направлению в пространстве, в отличие от электрических, магнитных и других полей Стандартной Модели. Это открывает возможность таким полям заполнять все пространство, не противореча одному из наиболее доказанных принципов физики, согласно которому все пространственные направления одинаково хороши. (Напротив, если бы, например, имелось ненулевое магнитное поле всюду в пространстве, то мы могли идентифицировать привилегированное направление, используя обычный компас.) Взаимодействие других полей Стандартной Модели со всепроникающими скалярными полями, как полагают, дает массы частицам Стандартной Модели.

Объединение

электричество	электромагнетизм	электрослабое взаимодействие	Стандартная Модель	?
магнетизм
свет
бета распад	слабое взаимодействие
нейтрино
протоны	сильное взаимодействие
нейтроны
пионы
земное притяжение	универсальная гравитация		Общая Теория Относительности
небесная механика
	геометрия пространства-времени

Табл. 1. Объединение разнородных явлений в одной теории уже долгое время является центральной темой физики. Стандартная Модель физики частиц успешно описывает три (электромагнетизм, слабые и сильные взаимодействия) из четырех известных науке сил, но впереди еще окончательное объединение с общей теорией относительности, которая описывает гравитацию и природу пространства и времени.

За вершиной

Чтобы завершить Стандартную Модель мы должны подтвердить существование этих скалярных полей и выяснять, сколько существует их типов. Это — проблема обнаружения новых элементарных частиц, часто называемых частицами Хиггса (Higgs particles), которые могут быть зарегистрированы как кванты этих полей. Мы имеем достаточно оснований ожидать, что эта задача будет выполнена к 2020 году, поскольку ускоритель называемый Большим Адронным Коллайдером (Large Hadron Collider) Европейской лаборатории физики элементарных частиц близ Женевы (CERN) будет работать для этого более десяти лет.

Главные достижения

Квантовая Механика: корпускулярноволновой дуализм, суперпозиция, вероятность	Квантовая Теория Поля: виртуальные частицы, перенормировка	?
Специальная Теория Относительности: геометрия пространства-времени, относительность движения
	Общая Теория Относительности: принцип эквивалентности, динамика пространства-времени
Ньютоновская Механика: универсальная гравитация, сила и ускорение

Табл. 2. Главные достижения фундаментальной физики сближаются, когда принципы различных теорий приводятся в соответствие в рамках новой единой структуры. Нам пока еще не известен принцип, лежащий в основе объединения квантовой теории поля (в лице Стандартной Модели) с общей тоерией относительности.

По меньшей мере, должна быть обнаружена единственная электрически нейтральная скалярная частица. Будет катастрофой, если все, что обнаружится к 2020 году, тем не менее, так и оставит нас без ключа к решению огромной загадки относительно характерных энергий, с которыми сталкиваются в физике, известной как проблема иерархии.

Самая тяжелая из известных частиц Стандартной Модели — высший кварк (top quark), с массовым эквивалентом в 175 ГэВ. (Один ГэВ — немного больше чем энергия, содержащаяся в протонной массе). Еще не обнаруженные частицы Хиггса, как ожидается, будут иметь подобные массы, от 100 до нескольких сотен ГэВ. Но имеется основание считать, что шкала масс, которые будут появляться в уравнениях еще не сформулированной объединенной теории, будет намного большей. В Стандартной Модели взаимодействия полей глюонов, W-бозонов, Z-бозонов и фотонов с другими полями этой модели имеют различную интенсивность; именно поэтому силы, произведенные обменом глюонами — приблизительно 100 раз больше, чем другие при обычных условиях. Гравитация — значительно более слабое взаимодействие: величина силы тяготения между электроном и протоном в атоме водорода — составляет приблизительно 10 ^–39 от величины электрической силы.

Но все эти силы взаимодействия зависят от энергии, при которой они измерены [см. илл. "Силы Связи"]. Поразительно, что, когда взаимодействия полей Стандартной Модели экстраполируются в область высоких энергий, они все становятся равными друг другу при энергиях немного больше, чем 10¹⁶ ГэВ, и сила гравитации имеет ту же самую величину при энергиях не намного выше, чем 10¹⁸ ГэВ. (Предложенные уточнения в теории гравитации показывают, что величина силы гравитации может сравняться с другими силами уже при 10¹⁶ ГэВ.) Мы привыкли к довольно большим массовым отношениям в физике элементарных частиц, примерно от 1 до 350000 раз в отношении массы высшего кварка к электронной массе, но это ничто по сравнению с огромным отношением фундаментальной шкалы энергии Великого Объединения 10¹⁶ ГэВ (или возможно 10¹⁸ ГэВ) к энергетической шкале приблизительно 100 ГэВ, типичной для Стандартной Модели. Основная задача проблемы иерархии — объяснить это огромное соотношение, этот гигантский скачок от одного уровня до следующего в последовательности энергетических шкал, причем это отношение должно быть не результатом подгонки констант в наших уравнениях, а естественным следствием фундаментальных принципов.

Теоретики предложили несколько интересных идей для естественного решения проблемы иерархии, включая новый принцип симметрии известный как суперсимметрия (который также улучшает точность, с которой силы взаимодействий сближаются при 10¹⁶ ГэВ), или новое сильное взаимодействие, известное как техниколор (technicolor). Все эти теории содержат дополнительные силы, которые объединены с сильными, слабыми и электромагнитными силами при энергиях приблизительно 1016 ГэВ. Новые взаимодействия становятся преобладающими при энергиях намного ниже 10¹⁶ ГэВ, но мы не можем наблюдать их непосредственно, так как они не действуют на известные частицы Стандартной Модели. Вместо этого они действуют на другие частицы, которые являются слишком массивными, чтобы они могли быть получены в наших лабораториях. Эти "очень тяжелые" частицы — тем не менее, намного легче, чем 10¹⁶ ГэВ, потому что они приобретают свою массу из энергии нового взаимодействия, которое является сильным только далеко ниже 10¹⁶ ГэВ. В этой картине, известные частицы Стандартной Модели взаимодействовали бы с самыми тяжелыми частицами, и их массы возникнут как вторичный эффект этого относительно слабого взаимодействия. Этот механизм решил бы проблему иерархии, делая известные частицы легче, чем самые тяжелые частицы, которые сами намного легче, чем 10¹⁶ ГэВ.

Все эти идеи имеют общую черту: они требуют существования зоопарка новых частиц с массами не намного больше чем 1000 ГэВ. Если в этих идеях есть доля истины, то эти частицы должны быть обнаружены к 2020 в Большом Адронном Коллайдере, а некоторые из них можно обнаружить даже раньше в Fermilab или CERN, хотя и не исключено, что для этого может понадобиться больше чем десятилетие и новые ускорители, чтобы исследовать их свойства полностью. Когда эти частицы будут обнаружены и их свойства измерены, мы будем способны узнать, пережила ли какая-либо из них ранние моменты Большого Взрыва, чтобы теперь стать "темной материей" (dark matter) в межгалактическом пространстве, которая, как считается, составляет основную часть существующей массы вселенной. Во всяком случае, кажется вероятным, что к 2050 мы поймем в чем причина такого огромного отношения энергетических шкал.

Подавленные взаимодействия

Что же будет дальше? Не имеется фактически никакого шанса, что мы будем способны ставить эксперименты, в которых изучались бы процессы при энергиях частиц 10¹⁶ ГэВ. В существующих технологиях диаметр ускорителя пропорционален энергии, сообщенной ускоренным частицам. Для разгона частицы до энергии 10¹⁶ ГэВ потребовался бы ускоритель диаметром в несколько световых лет. Даже если кто-нибудь и нашел другой способ концентрировать такое большое количество энергии на отдельной частице, то будет очень трудно извлечь полезную информацию из наблюдения над процессами при таких энергиях. Но даже при том, что мы не можем изучать процессы при энергиях порядка 10¹⁶ ГэВ непосредственно, имеется очень хороший шанс, что эти процессы производят эффекты при доступных энергиях, которые могут быть зафиксированы экспериментально, потому что они выходят за рамки дозволенного Стандартной Моделью.

Стандартная Модель — квантовая теория поля специального вида, а именно "перенормируемая" теория. Этот термин отсылает нас назад к 40-ым годам, когда физики учились, как использовать первые квантово-полевые теории для вычисления тонкой структуры атомных уровней. Они нашли, что вычисления, использующие квантовую теорию поля дают бесконечные величины, такая ситуация обычно означает, что теория либо ужасно испорчена, либо находится вне пределов своей применимости. Но они вовремя нашли способ обращения с бесконечными величинами, включая их при помощи переопределения или "перенормировки" (renormalization) в некоторые физические постоянные типа заряда и массы электрона. (Минимальная версия Стандартной Модели с одной скалярной частицей имеет 18 таких констант). Теории, в которых эта процедура работала, назывались перенормируемыми и имели более простую структуру чем неперенормируемые теории.

Рис. 3. Проблема иерархии — мера нашего незнания. В экспериментах (желтая зона), имеющих дело с энергиями приблизительно до 200 ГэВ регистрируется целый ассортимент масс частицы (красные точки) и шкал энергии взаимодействия (зеленые полосы), которые весьма хорошо описаны Стандартной Моделью. Загадкой для нас является обширный промежуток между двумя дальнейшим энергетическим шкалами, а именно сильно-электрослабого объединения (10¹⁶ ГэВ) и планковской шкалы, характерной для квантовой гравитации (10¹⁸ ГэВ).

Именно эта простая перенормируемая структура Стандартной Модели позволяют нам получать точные количественные предсказания экспериментальных результатов, предсказания, чей успех подтвердил законность теории. В частности принцип перенормируемости совместно с различными принципами симметрии Стандартной Модели запрещает ненаблюдаемые процессы типа распада изолированных протонов и запрещает нейтрино иметь массу. Физики обычно имели обыкновение полагать, что квантовая теория поля, имеющая отношение к реальности должна быть перенормируема. Этот принцип был господствующим в формулировках Стандартной Модели. И тот факт, что по фундаментальным причинам, невозможно было сформулировать перенормируемую квантовую теорию гравитации, вселял в теоретиков большую тревогу.

Сегодня же положение дел изменилось. Разные теории в физики элементарных частиц различаются в зависимости от энергии рассматриваемых процессов и реакций. Взаимодействие, обусловленное обменом очень массивной частицы, будет чрезвычайно слабым при энергиях низких по сравнению с той массой. И другие эффекты также могут быть подавлены подобным образом, такая область низких энергий рассматривается в эффективной теории поля, в которой эти взаимодействия являются ничтожными. Теоретики поняли, что любая фундаментальная квантовая теория, совместимая со специальной теорией относительности, превращается при низких энергиях в перенормируемую теорию. Но хотя бесконечности все еще не допускаются в теорию, эти эффективные теории не имеют простой структуры классической перенормируемой теории. Вместо того чтобы полностью исключать дополнительные сложные взаимодействия, их делают сильно подавленными в области ниже некоторого характерного энергетического порога.

А гравитация и есть именно такое подавленное неперенормируемое взаимодействие. Именно от его силы (или правильнее слабости) при низких энергиях мы делаем вывод, что его фундаментальная энергетическая шкала — примерно 10¹⁸ ГэВ. Другое подавленное неперенормируемое взаимодействие делало бы протон нестабильным с периодом полураспада в диапазоне от 10³¹ до 10³⁴ лет, который возможно не удастся зафиксировать даже и к 2050. Другое же подавленное неперенормируемое взаимодействие сообщило бы нейтрино крошечные массы, приблизительно 10 ^–11 ГэВ. Уже сейчас имеются некоторые доказательства, что массы нейтрино имеют именно такой порядок; окончательно же этот вопрос будет улажен задолго до 2050.

Рис. 4. Имеется несколько путей объединения физики, находящейся вне Стандартной Модели. Модели техниколора (a) представляют новые взаимодействия, аналогичные "цветной" силе, которая связывает кварки. Как следствие этого — появление новых поколений частиц, отличающихся от трех известных. Суперсимметрия (b), связывающая фермионы с бозонами, добавляет к каждой известной частице суперсимметричного партнера. М-теория и теория струн (c) видоизменяют полную модель в терминах новых объектов типа крошечных струн, петель и мембран, которые ведут себя подобно частицам при низких энергиях.

Такие наблюдения будут весьма полезны для объединенной теории всех сил, но открытие этой теории, вероятно, не будет возможно без появления радикально новых идей. Некоторые из них уже выдвинуты и обсуждаются. Имеются пять различных теорий крошечных одномерных объектов известных как струны, различные моды колебаний, которых проявляются при низкой энергии как различные виды частиц и очевидно представляют собой конечные теории гравитации и других сил в 10-мерном пространстве-времени. Конечно, мы не живем в 10 измерениях, но вероятно, что шесть из этих измерений могут быть свернуты настолько сильно, что они не наблюдаются в процессах при энергиях ниже 10¹⁶ ГэВ, приходящейся на одну частицу. Ясность во всем этом появилась лишь в последние несколько лет, когда оказалось, что эти пять струнных теорий (а также квантовая теория поля в 11 измерениях) — есть не что иное, как приближенные версии единственной фундаментальной теории (иногда называемой М-теории). Но пока еще никто не знает, как записать уравнения этой теории.

Вне пространства и времени

Два больших препятствия стоят на пути к решению этой задачи. Одно — это то что, мы не знаем, какие физические принципы управляют такой фундаментальной теорией. В разработке общей теории относительности Эйнштейн руководствовался принципом, который он вывел из известных свойств гравитации, — принципом эквивалентности сил тяготения и инерционных эффектов типа центробежной силы. Развитие Стандартной Модели исходило из принципа калибровочной симметрии, который является обобщением известного свойства электричества, заключающегося в том, что физический смысл имеет только разность потенциалов, но не сам потенциал непосредственно.

Но пока еще не обнаружен какой-либо фундаментальный принцип, исходя из которого можно было бы построить М-теорию. Различные аппроксимации к этой теории напоминают струнные или полевые теории в пространстве-времени различной размерности, но возможно, что новая фундаментальная теория вообще не должна формулироваться в терминах пространства-времени. Квантовая теория поля довольно сильно ограничена принципами, лежащими в основе природы четырехмерного пространства-времени, которые включены в специальную теорию относительности. Неизвестно каким образом мы можем получить идеи, необходимые для верной формулировки новой фундаментальной теории, если эта теория должна описывать область, где все интуитивные представления, приобретенные нами из жизни в пространстве-времени, станут неподходящими?

Рис. 5. Константы связи взаимодействий не остаются постоянными, а медленно изменяются в зависимости от энергии, этот процесс точно описан квантовой теорией поля и проверен экспериментом вплоть до 200 ГэВ. Теоретическая экстраполяция показывает, что три взаимодействия Стандартной Модели (сильное и объединенные слабое и электромагнитное) имеют приблизительно равную интенсивность при очень высоких энергиях (a), а при учете суперсимметрии (b) это равенство становится еще более точным. Толщина кривой указывает приблизительную неопределенность в константах связи

Другое препятствие состоит в том, что, даже если мы были бы и способны сформулировать фундаментальную теорию, мы не могли бы знать, как ее использовать, чтобы делать предсказания, подтверждающие ее истинность. Большинство успешных предсказаний Стандартной Модели были основаны на методе вычисления, известном как теория возмущений. В квантовой механике вероятности физических процессов вычисляются суммированием по всем возможным последовательностям промежуточных шагов, через которые может происходить процесс. Используя теорию возмущений, вначале рассматривают только самые простые промежуточные шаги, потом более сложные, и так далее. Этот способ работает только в том случае, если все более и более сложные промежуточные шаги дают уменьшающиеся вклады в вероятность, это обычно имеет место в том случае, если константа связи достаточно мала. Иногда теория с очень сильными взаимодействием эквивалентна другой теории с очень слабым взаимодействием, в которой применимы методы теории возмущений. Такое отношение эквивалентности действует для некоторых пар из пяти струнных теорий в 10 измерениях и теории поля в 11 измерениях, упомянутых ранее. К сожалению, взаимодействия фундаментальной теории, очевидно, не являются ни очень сильными, ни очень слабыми, исключая тем самым любое использование теории возмущений.

Поиск ответа

Мы не можем сейчас сказать, когда будут решены эти проблемы. Может оказаться, что они могут быть решены в препринте, написанным завтра каким-нибудь молодым теоретиком. А может оказаться, что они не быть решены и в 2050, или даже в 2150 году. Но даже когда они и будут решены, пока мы не сможем ставить эксперименты при энергиях 1016 ГэВ или изучать более высокие измерения, нас не будет беспокоить проблема проверки истинности фундаментальной объединенной теории. Помимо проверки того, правильно ли теория объясняет измеренные значения физических постоянных Стандартной Модели, будущие эксперименты должны выявить новые эффекты, не предусмотренные в Стандартной Модели.

Возможно, что, когда мы наконец поймем, как частицы и силы ведут себя при энергиях до 110¹⁸ ГэВ, мы только столкнемся с новыми тайнами, а до заключительного объединения будет гораздо дальше, чем когда-либо до этого. Но я сомневаюсь относительно этого. Пока еще нет никаких намеков на то, что фундаментальная энергетическая шкала простирается дальше 10¹⁸ ГэВ, а теория струн даже предполагает, что более высокие энергии не имеют физического смысла.

Открытие объединенной теории, описывающей природу в условиях любых энергий, позволит нам ответить на самые глубокие вопросы космологии: имеет ли расширяющееся облако галактик, которое мы называем Большим Взрывом, начало во времени? Является ли Большой Взрыв только одним эпизодом истории вселенной, в которой большие и маленькие взрывы происходят вечно? Изменяются ли физические константы или даже законы природы от одного взрыва к другому?

Это не будет концом физики. Это, вероятно, даже не поможет нам в решении некоторых еще не решенных проблем сегодняшней физики, типа понимания турбулентности и высокотемпературной сверхпроводимости. Но это будет конец физики определенного типа, а именно поиска объединенной теории, которая влечет за собой все другие факты физической науки.

Из книги "Мечты об окончательной теории"

Стивен Вайнберг

ББК22.312, 22.313, 22.314
Вайнберг Стивен. Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы.
Пер. с англ. — М.: Едиториал УРСС, 2004. — 256 с.
В своей книге «Мечты об окончательной теории» Стивен Вайнберг — Нобелевский лауреат по физике — описывает поиск единой фундаментальной теории природы, которая для объяснения всего разнообразия явлений микро-и макромира не нуждалась бы в дополнительных принципах, не следующих из нее самой. Электромагнитные силы и радиоактивный распад, удержание кварков внутри нуклонов и разлет галактик — все это, как стремятся показать физики и математики, лишь разные проявления единого фундаментального закона. Вайнберг дает ответ на интригующие вопросы: Почему каждая попытка объяснить законы природы указывает на необходимость нового, более глубокого анализа? Почему самые лучшие теории не только логичны, но и красивы? Как повлияет окончательная теория на наше философское мировоззрение? Ясно и доступно Вайнберг излагает путь, который привел физиков от теории относительности и квантовой механики к теории суперструн и осознанию того, что наша Вселенная, быть может, сосуществует рядом с другими вселенными.
Книга написана удивительно живым и образным языком, насыщена афоризмами и остроумными эпизодами. Она распахивает читателю двери в новый мир и помогает понять то, с чем он там встретится.
ISBN 5-3S4-00526-4
© Steven Weinberg, 1992
© Перевод на русский язык: Едиториал УРСС, 2004

Предисловие

Эта книга посвящена великому интеллектуальному приключению — поиску окончательных законов природы. Мечта об окончательной теории во многом вдохновляет работы в области физики высоких энергий. Хотя мы и не знаем, как могут выглядеть окончательные законы или сколько лет пройдет, прежде чем они будут открыты, все же мы полагаем, что уже в современных теориях улавливаются проблески контуров окончательной теории.

Сама идея окончательной теории противоречива и является в наши дни предметом интенсивных споров. Это противоречие уже достигло комитетских кабинетов конгресса США: физика высоких энергий становится все более дорогой наукой и обращение ученых за общественной поддержкой частично обосновывается исторической миссией открытия окончательных законов.

С самого начала в мои намерения входило изложение тех вопросов, которые возникают в связи с самой идеей окончательной теории как части интеллектуальной истории нашего времени, рассчитанное на читателей без специальной подготовки по физике и высшей математики. В этой книге речь идет о ключевых идеях, лежащих в основе современных фундаментальных исследований по физике. Но это не учебник по физике, и читатель не встретит отдельных глав, полностью посвященных частицам, взаимодействиям, симметриям и струнам. Напротив, я вплел понятия современной физики в обсуждение того, что такое окончательная теория и как мы собираемся ее искать...

Книга «Мечты об окончательной теории» состоит из трех основных частей и заключения. В первой части (главы I—III) рассказывается о самой идее окончательной теории; во второй части (главы IV—VIII) объясняется, как мы можем продвинуться в сторону построения окончательной теории; наконец, в третьей части (главы IX—XI) обсуждается вопрос о том, как эта теория может выглядеть и какое влияние на человечество окажет ее открытие. В заключительной главе XII я обсуждаю аргументы за или против строительства Сверхпроводящего суперколлайдера, нового дорогого устройства, чрезвыаайно необходимого физикам — специалистам в области высоких энергий, финансирование которого находится под вопросом. ...

ГЛАВА 1. Пролог

Красавицы на моем пути.
Желанные и покорившиеся мне.
Они — мечты всего лишь о тебе...
(Джон Донн)

В XX в. необычайно расширились границы научного познания в физике. Наши представления о пространстве, времени и тяготении полностью изменились благодаря специальной и общей теориям относительности Эйнштейна. Совершив еще более радикальный разрыв с прошлым, квантовая механика изменила сам язык, который мы используем для описания природы: вместо того, чтобы говорить о частицах, имеющих определенные положение и скорость, мы научились говорить о волновых функциях и вероятностях. Слияние теории относительности с квантовой механикой привело к новому видению мира, в котором вешество перестало играть главенствуюгцую роль. Эта роль перешла к принципам симметрии, причем на данном этапе развития Вселенной некоторые из них скрыты от взгляда наблюдателя. На такой основе нам удалось построить удовлетворительную теорию электромагнетизма, а также слабых и сильных ядерных взаимодействий элементарных частиц Часто ученые чувствовали себя как Зигфрид, который, попробовав крови дракона, с удивлением обнаружил, что может понимать язык птиц.

Но сейчас мы застряли. Годы, прошедшие с середины 1970-х, были самыми бесплодными в истории физики элементарных частиц. Мы расплачиваемся за собственные успехи: теория продвинулась так далеко, что дальнейший прогресс требует изучения процессов, происходяших при энергиях, далеко выходящих за пределы возможностей существующих экспериментальных установок.

Чтобы выйти из тугшка, физики еще в 1982 г. начали планировать строительство научной установки беспрецедентных размеров и стоимости, получившей название Сверхпроводящий суперколлайдер (ССК)...

Идея постройки Суперколлайдера вызвала сильное противодействие, и не только со стороны бережливых конгрессменов, но и со стороны ряда ученых, которые хотели бы, чтобы деньги тратились на исследования именно в их области. Всегда хватало брюзжания по поводу так называемой большой науки, и мишенью многих ворчунов стал ССК. В то же время объединение европейских ученых, известное под названием ЦЕРН , рассматривает возможность постройки похожей установки — Большого Адронного Коллайдера (БАК). Эта установка будет стоить меньше, чем ССК, так как в ней предполагается использовать уже существующий туннель, прорытый под Юрскими горами вблизи Женевы, но по ряду причин энергия частиц на этом ускорителе будет составлять менее половины той, которая планируется на ССК. Во многих отношениях споры в США по поводу ССК похожи на споры в Европе о том, стоит ли строить БАК...

Эта книга совсем не о Суперколлайдере. Однако споры о проекте заставили меня в ряде публичных выступлений и во время слушаний в конгрессе попытаться объяснить, что же мы пытаемся выяснить, изучая элементарные частицы. Кому-то может показаться, что после тридцати лет работы в области физики это было для меня достаточно легко, но все оказалось не так-то просто.

Для меня самого удовольствие, получаемое от работы, всегда было достаточным основанием для того, чтобы ее делать. Сидя за своим столом или где-нибудь в кафе, я манипулирую математическими формулами и чувствую себя как Фауст, играющий в пентаграммы, прежде чем появился Мефистофель. Очень редко математические абстракции, экспериментальные данные и физическая интуиция соединяются в определенную теорию частиц, сил и симметрии. Еще реже теория оказывается правильной; иногда эксперименты подтверждают, что природа действительно следует тем законам, которые теория предсказывает.

Но это не все. Для физиков, чья деятельность связана с элементарными частицами, имеется и другая побудительная причина для работы, которую значительно труднее объяснить даже самому себе.

Существующие теории ограничены, они все еще не полны и не окончательны. Но за ними здесь и там мы улавливаем проблески окончательной теории, которая будет иметь неограниченную применимость и будет полностью удовлетворять нас своей полнотой и согласованностью. Мы ищем универсальные истины о природе и, когда мы их находим, пытаемся объяснить их, показав, каким образом они выводятся из еще более глубоких истин. Представьте себе пространство научных принципов, заполненное стрелками, указывающими на каждый принцип и исходящими из тех принципов, которыми объясняются последующие. Эти стрелы объяснений уже сегодня выявляют любопъггную структуру: они не образуют отдельных, не связанных с другими, скоплений, соответствующих независимым наукам, и они не направлены хаотично и бесцельно. Наоборот, все они связаны, так что если двигаться к началу стрелок, то кажется, что все они выходят из общей точки. Эта начальная точка, к которой можно свести все объяснения, и есть то, что я подразумеваю под окончательной теорией.

Можно уверенно утверждать, что сейчас у нас нет окончательной теории, и похоже, что она не скоро появится. Но время от времени мы ловим намеки на то, что до нее не так уж и далеко. Иногда во время дискуссий с физиками вдруг выясняется, что математически красивые идеи имеют действительное отношение к реальному миру, и тогда возникает чувство, что там, за доской, есть какая-то более глубокая истина, предвестник окончательной теории. Именно это и делает наши идеи привлекательными.

Когда мы размышляем об окончательной теории, на ум приходят тысячи вопросов и определений. Что мы имеем в виду, говоря, что один научный принцип «объясняет» другой? Откуда мы знаем, что у всех этих объяснений есть общая начальная точка? Откроем ли мы когда-нибудь эту точку? Насколько мы сейчас близки к этому? На что будет похожа окончательная теория? Какие разделы современной физики выживут и сохранятся в окончательной теории? Что будет говорить эта теория о феноменах жизни и сознания? И наконец, когда мы откроем эту окончательную теорию, то что же будет дальше с наукой и с человеческим разумом? Мы лишь коснемся этих вопросов в первой главе, оставляя более подробный ответ до остальной части книги.

Мечта об окончательной теории родилась не в XX в. В западной цивилизации ее можно проследить вглубь веков до той научной школы, которая расцвела за сто лет до рождения Сократа в греческом городе Милете на берегу Эгейского моря, в устье реки Меандр. Мы, на самом деле, мало знаем о мыслях досократиков, но последующие ссылки и несколько оригинальных фрагментов, дошедших до нас, позволяют предположить, что уже милетцы искали объяснение всех природных явлений с помощью фундаментальных составляющих материи. Для Фалеса, первого среди милетских философов, фундаментальной сущностью была вода; для Анаксимена, последнего философа этой школы, такой сущностью был воздух...

Когда мне доводилось преподавать физику в Техасе или в Гарварде для студентов-гуманитариев младших курсов, я чувствовал, что моей главной (и, безусловно, самой трудной) задачей было передать студентам ощущение могущества человека, способного детально рассчитать, что может при определенных обстоятельствах случиться с разными физическими системами. Я учил их рассчитывать отклонение катодных лучей или падение капельки масла не потому, что каждый должен обязательно уметь делать такие вещи, а потому что выполняя эти расчеты, они могут самостоятельно понять, что в действительности означают принципы физики. Наше знание принципов, определяющих эти и другие явления, составляет сердцевину физической науки и драгоценную часть нашей цивилизации...

Тысячелетиями люди знали о правилах арифметики и плоской геометрии, о главнейших периодичностях в движении Солнца, Луны и звезд, включая такие тонкости, как прецессия осей врашения. Кроме того, после Аристотеля начался расцвет математики, продолжавшийся всю эллинистическую эпоху, охватываюшую период времени от завоеваний ученика Аристотеля Александра Македонского вплоть до поглошения греческой цивилизации Римом. Изучая философию на младших курсах, я чувствовал некоторое раздражение, когда слышал, что греческих философов Фалеса и Демокрита называют физиками; но когда мы перешли к великим ученым эпохи эллинизма, Архимеду из Сиракуз, открывшему законы рычага, или Эратосфену из Александрии, измерившему длину земного экватора, я стал ошушать себя, как дома среди друзей-ученых. Нигде в мире не было ничего похожего на эллинистическую науку вплоть до расцвета современной науки в Европе в XVII в.

Все же, несмотря на весь блеск, эллинистическая натуральная философия и близко не приближалась к идее о своде законов, точно управляюших всей природой. На самом деле слово «закон» редко употреблялось в античности (Аристотель вообше его не использовал), кроме как в первоначальном смысле человеческих или божественных законов, управляюших поведением людей. (Правда, слово «астрономия» происходит от двух греческих слов: "астрон" — звезда и "номос" — закон, но этот термин был значительно менее употребителен в античное время, чем слово «астрология».) Вплоть до работ Галилея, Кеплера и Декарта в XVII в. мы не находим понятия, соответствуюшего современному «законы природы»...

Современные мечты об окончательной теории берут начало от Исаака Ньютона. На самом деле количественное научное мышление никогда не прерывалось и ко времени появления Ньютона оно уже получило новый импульс, особенно в трудах Галилея. Но именно Ньютон сумел так много объяснить с помошью своих законов движения и закона тяготения, начиная с формы орбит планет и их спутников и кончая приливами и законом падения яблок, что он должен был впервые почувствовать возможности действительно последовательной объясняющей теории. Надежды Ньютона были выражены в предисловии к первому изданию его великой книги «Математические начала натуральной философии»: «Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы, рассуждая подобным же образом, ибо многое заставляет меня предполагать, что все эти явления обусловливаются некоторыми силами...»...

Мир все-таки сложная штука. Чем больше узнавали ученые о химии, свете и электричестве в XVIII и XIX вв., тем более неосуществимой должна была казаться возможность объяснения этих явлений в ньютоновском духе. В частности, для того чтобы объяснить химические реакции и химическое сродство элементов, рассматривая атомы как ньютоновские частицы, движущиеся под действием сил взаимного притяжения и отталкивания, физики вынуждены были делать столько дополнительных предположений об атомах и силах, что реально ничего нельзя было довести до конца.

Несмотря на это к 1890-м гг. многими учеными овладело странное чувство завершенности науки. В научном фольклоре сохранилась апокрифическая история о каком-то физике, который объявил в конце столетия, что физика практически завершена и все, что осталось, это провести измерения с точностью до нескольких следующих знаков после запятой. Похоже, что эта история восходит к замечанию, сделанному в 1894 г. американским физиком-экспериментатором Альбертом Майкельсоном в речи в Чикагском университете: «Хотя и рискованно утверждать, что будущее Физической Науки не хранит в себе чудес, еще более поразительных, чем открытые в прошлом, вполне вероятно, что большинство важнейших основополагающих принципов уже надежно установлено и что дальнейшие успехи возможны, главным образом, на пути поиска строгих приложений этих принципов ко всем явлениям, привлекающим наше внимание... Один видный физик заметил, что будущее Физической Науки следует искать в шестом знаке после запятой». Присутствовавший в зале во время выступления Майкельсона другой американский физик-экспериментатор Роберт Милликен предположил , что «видный физик», которого имел в виду Майкельсон, был влиятельный шотландец Уильям Томсон, лорд Кельвин. Один приятель говорил мне, что когда он был студентом Кембриджа в конце 1940-х гг., он часто слышал приписываемое Кельвину высказывание, что в физике не будет никаких новых открытий, и все, что осталось — это делать все более точные измерения.

Я не смог обнаружить подобного высказывания в собрании речей лорда Кельвина, но имеется достаточно других свидетельств широко распространенного, хотя и не всеобщего, ощущения завершенности науки к концу девятнадцатого столетия. Когда молодой Макс Планк поступал в 1875 г. в Мюнхенский университет, профессор физики Филипп Джолли отговаривал его заниматься наукой. По мнению Джолли, уже нечего было открывать. Милликен получил тот же совет. Он вспоминал: «В 1894 г. я жил на пятом этаже в доме на Шестьдесят четвертой улице в западной части Бродвея с четьфьмя другими аспирантами Колумбийского университета, одним медиком и тремя будущими социологами и политологами, и все время подвергался с их стороны нападкам за то, что я занимаюсь "конченным", да, именно "дохлым делом" — физикой, в то время как сейчас открываются новые "живые" области общественных наук».

Часто эти примеры самодовольства ученых XIX в. приводятся как предупреждение тем из нас в двадцатом столетии, кто осмеливается рассуждать об окончательной теории. Но это искажает смысл тех самоуверенных высказываний. Майкельсон, Джолли и соседи Милликена, возможно, и не задумались о том, что природа химического притяжения уже была успешно объяснена физиками, а еще менее о том, что механизмы наследования были уже успешно объяснены химиками. Те, кто высказывались подобным образом, могли так говорить только потому, что они перестали верить в мечту Ньютона и его последователей о том, что химию и другие науки можно объяснить с точки зрения законов физики, для них химия и физика были равноправными науками, причем каждая близкой к завершению. Какой бы широко распространенной не была точка зрения о завершенности науки в конце XIX в., она свидетельствовала лишь о самоуспокоенности, которая сопутствует угасанию амбиций.

Но дела стали быстро меняться. Для физиков XX в. начался в 1895 г., когда Вильгельм Рентген неожиданно открыл рентгеновские лучи. Важны были не рентгеновские лучи сами по себе; скорее, их открытие воодушевило физиков и заставило их поверить, что есть еще вещи, которые можно открыть, особенно, если изучать разного рода излучения. И открытия быстро последовали одно за другим. В Париже в 1896 г. Анри Беккерель открыл радиоактивность. В Кембридже в 1897 г. Дж. Дж. Томсон измерил отклонение катодных лучей электрическим и магнитным полями и интерпретировал свои результаты как свидетельство существования фундаментальной частицы — электрона, входящей в состав всякого вещества, а не только катодных лучей. В Берне в 1905 г. Альберт Эйнштейн (еще не будучи членом академического сообщества) представил новый взгляд на пространство и время в своей специальной теории относительности, предложил новый способ демонстрации существования атомов и объяснил более раннюю работу Макса Планка о тепловом излучении, введя понятие о новой элементарной частице — световой корпускуле, названной позднее фотоном. Чуть позже, в 1911 г., Эрнест Резерфорд на основании результатов экспериментов с радиоактивными элементами, выполненных в Манчестерской лаборатории, сделал вывод, что атомы состоят из маленького массивного ядра, окруженного облаком электронов. Наконец, в 1913 г. датский физик Нильс Бор использовал эту модель атома и идею Эйнштейна о фотонах для объяснения спектра простейшего атома водорода. Самоуспокоенность сменилась возбуждением; физики почувствовали, что окончательная теория, объединяющая по крайней мере всю физическую науку, может быть скоро построена.

Уже в 1902 г. ранее вполне удовлетворенный Майкельсон смог заявить: «Скоро наступит день, когда нити, идущие от кажущихся совершенно далекими друг от друга областей знания, соединятся в одной точке. Тогда природа атомов, происхождение сил, действующих в химических соединениях, взаимодействие этих атомов с невидимым эфиром, проявляющееся в явлениях электричества и магнетизма, структура молекул и молекулярных соединений, состоящих из атомов, объяснение трения, упругости и тяготения — все это сольется в единое и компактное тело научного знания»! Хотя до этого Майкельсон полагал, что физика уже завершена, так как он не думал, что физика должна объяснять химию, то теперь он уже ожидал совершенно иного завершения науки в ближайшем будущем, включающего как физику так и химию.

Все эти высказывания были несколько преждевременными. На самом деле мечта об окончательной объединяющей теории начала вьфисовываться в середине 1920-х гг. после открытия квантовой механики. Вместо частиц и сил ньютоновской механики в физике возник совершенно новый подход, использующий понятия волновых функций и вероятностей. Неожиданно квантовая механика позволила рассчитать не только свойства отдельных атомов и их взаимодействие с излучением, но и свойства атомов, объединенных в молекулы. Наконец-то стало ясно, что химические явления таковы, каковы они есть, благодаря электрическим взаимодействиям электронов и атомных ядер.

Не следует думать, что курсы лекций по химии в колледжах начали читать профессора физики или что Американское Химическое общество вошло в состав Американского Физического общества. Чтобы вычислить силу связи двух атомов водорода в простейшей молекуле водорода, используя уравнения квантовой механики, нужно преодолеть заметные трудности; чтобы иметь дело со сложными молекулами, особенно с теми, которые связаны с биологией, и понимать, как они будут реагировать в разных условиях, нужны особый опыт и интуиция химика. Однако успех квантовой механики в расчете свойств очень простых молекул сделал очевидным тот факт, что химические явления обусловлены физическими законами. Поль Дирак, один из основоположников новой квантовой механики, торжествующе объявил в 1929 г., что «наконец-то полностью известны основополагающие физические законы, необходимые для построения математической теории большей части физики и всей химии, и единственная трудность заключается в том, что в результате применения этих законов мы приходим к слишком сложным для решения уравнениям».

Вскоре возникла новая странная проблема. Первые квантовомеханические расчеты энергий атомов дали результаты, находившиеся в хорошем согласии с опытом. Но когда квантовую механику начали использовать для описания не только электронов в атомах, но и порождаемых этими электронами электрических и магнитных полей, оказалось, что энергия самого атома равна бесконечности! В других вычислениях появились другие бесконечности, так что в течение четырех десятилетий этот абсурдный результат представлялся главным тормозом на пути прогресса физики. В конце концов проблема бесконечностей оказалась совсем не такой ужасной, более того, она стала одним из главных аргументов, прибавивших оптимизма в отношении возможности построения окончательной теории. Если должным образом позаботиться об определении масс, электрических зарядов и других констант, все бесконечности взаимно уничтожаются, но только в теориях специального вида. Поэтому можно думать, что математика подвела нас к какой-то части окончательной теории, поскольку это единственный способ избежать появления бесконечностей. На самом деле новая загадочная теория струн может быть уже указывает тот единственный путь, который позволяет избежать бесконечностей при объединении теории относительности (включая общую теорию относительности, т. е. эйнштейновскую теорию тяготения) с квантовой механикой. Если это так, то нам известна уже значительная часть окончательной теории.

Я совсем не имею в виду, что окончательная теория будет выведена из чистой математики. Помимо всего прочего, почему мы должны верить, что теория относительности, равно как и квантовая механика, логически неизбежны? Мне кажется, что самое большее, на что можно надеяться, это построить окончательную теорию как очень жесткую структуру, которая не может быть превращена в какую-то немного отличающуюся теорию без появления логически абсурдных результатов вроде бесконечных энергий.

Еще один повод для оптимизма связан с тем странным фактом, что прогресс в физике часто основан на суждениях, которые можно охарактеризовать только как эстетические. Это очень удивительно. Каким образом ощущение физика, что одна теория красивее другой, может служить проводником в научном поиске? Этому есть несколько возможных причин, но одна из них относится конкретно к физике элементарных частиц: красота наших сегодняшних теорий может быть «всего лишь грезой» о той красоте, которая ожидает нас в окончательной теории.

В XX в. именно Альберт Эйнштейн был наиболее одержим идеей построения окончательной теории. Как пишет его биограф Абрахам Пайс, «Эйнштейн — типичная старозаветная личность, по примеру Иеговы уверенная, что миром правит закон, и его нужно найти» . Последние тридцать лет жизни Эйнштейна были большей частью потрачены на поиски так называемой единой полевой теории, которая должна была объединить теорию электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла с общей теорией относительности, т. е. теорией тяготения Эйнштейна. Попытки Эйнштейна не увенчались успехом, и задним числом мы можем сказать, что они были ошибочны. Дело не только в том, что Эйнштейн пренебрег квантовой механикой; круг рассматриваемых им явлений был слишком узок. Электромагнетизм и гравитация являются единственными фундаментальными силами, проявляющимися в повседневной жизни (и единственными силами, известными в те времена, когда Эйнштейн был молодым человеком), но существуют и другие силы в природе, включая слабые и сильные ядерные силы. Прогресс, достигнутый на пути объединения, заключался на самом деле в том, что максвелловская теория электромагнитных сил объединилась с теорией слабых ядерных сил, а не с теорией тяготения, для которой решить проблему с бесконечностями значительно труднее. Тем не менее битва Эйнштейна стала нашей сегодняшней битвой. Это и есть поиск окончательной теории.

Разговоры об окончательной теории очень раздражают некоторых философов и ученых. Появляются обвинения в чем-то ужасном, вроде редукционизма или, еще хуже, физического империализма. Частично, это реакция на разного рода глупости, которые могут быть связаны с окончательной теорией, например, на утверждение, что открытие такой теории в физике будет означать конец науки. Конечно, с появлением окончательной теории не будут прекращены ни научные исследования вообще, ни чисто научные изыскания, ни даже чисто научные изыскания в физике. Чудесные явления, от турбулентности до феномена сознания, будут нуждаться в объяснении, даже если окончательная теория будет построена. Более того, открытие этой теории в физике совсем не обязательно поможет прогрессу в понимании упомянутых явлений. Окончательная теория будет окончательной лишь в одном смысле — она станет концом определенного типа науки, а именно восходящего к древности поиска таких фундаментальных основ мироздания, которые нельзя объяснить с помощью еще более глубоких принципов.

ГЛАВА II. О кусочке мела

Шут: ...Любопытна причина, по которой в семизеездъе семь звезд, а не больше.
Лир: Потому что их не восемь?
Шут: Совершенно верно. Из тебя вышел бы хороший шут...
(В. Шекспир. Король Лир . Акт 1, сцена 5)

Ученые сделали множество необычных и прекрасных открытий. Возможно, самым прекрасным и самым необычным из них является открытие структуры самой науки. Наши научные достижения — не разрозненный набор изолированных фактов; одно научное обобщение находит свое объяснение в другом, которое в свою очередь вытекает из следующего. Прослеживая эти стрелки объяснений назад к их источникам, мы обнаруживаем поразительную сходящуюся структуру. Может быть, это и есть глубочайшая из всех истин, постигнутых нами при изучении Вселенной. ...

Мел белый. Почему? Один ответ, который можно дать сразу, таков: мел белый потому, что он не какого-то другого цвета. Такой ответ безусловно понравился бы лировскому шуту, но на самом деле он не так уж далек от истины. Уже во времена Хаксли знали, что каждый цвет в радуге связан со светом определенной длины волны — более длинные волны соответствуют красному концу спектра, более короткие — голубому. Белый свет рассматривался как смесь света многих разных цветов. При падении света на непрозрачное вещество вроде мела только часть его отражается, а другая часть поглощается. Вещество определенного цвета, например зелено-синего, присущего многим соединениям меди (медно-алюминиевые фосфаты в турмалине) или синего, характерного для соединений хрома, имеет такой цвет потому, что вещество поглощает свет строго определенных длин волн; цвет, который мы видим в свете, отраженном от вещества, связан со светом тех длин волн, которые поглощаются не слишком сильно. Оказывается, что карбонат кальция, из которого и состоит мел, особенно сильно поглощает свет только в области инфракрасных и ультрафиолетовых длин волн, все равно не видимых глазом. Поэтому свет, отраженный от куска мела, имеет практически такое же распределение по длинам волн видимого света, как и свет, падающий на мел. Благодаря этому и возникает огцущение белизны, будь то у мела, облака или снега.

Почему? Почему некоторые вещества сильно поглощают видимый свет определенных длин волн, а другие нет? Оказывается, ответ связан со сравнительными энергиями атомов и света. Ученые начали понимать это после работ Альберта Эйнштейна и Нильса Бора, сделанных в первые два десятилетия XX в. Эйнштейн в 1905 г. впервые понял, что световой луч состоит из потока колоссального количества частиц, позднее названных фотонами. У фотонов нет ни массы, ни электрического заряда, но каждый фотон обладает определенной энергией, величина которой обратно пропорциональна длине волны света. В 1913 г. Бор предположил, что атомы и молекулы могут существовать только в определенных состояниях, т. е. стабильных конфигурациях, обладающих определенной энергией... Мел имеет белый цвет потому что у молекул, из которых он состоит, оказывается, нет таких уровней энергии, куда можно легко перепрыгнуть, поглошая фотоны любого цвета из видимого света.

Почему? Почему атомы и молекулы сушествуют только в дискретных состояниях, обладаюших определенной энергией? Почему эти энергии такие, а не другие? Почему свет состоит из отдельных частиц, энергия которых обратно пропорциональна длине волны света? И почему атомы или молекулы особенно легко перепрыгивают в определенные состояния, поглошая фотоны? Все эти свойства света, атомов и молекул было невозможно понять вплоть до середины 1920-х гг., когда был развит новый подход в физике, известный как квантовая механика. В рамках квантовой механики частицы в атоме или молекуле описываются так называемой волновой функцией. Эта функция ведет себя в чем-то похоже на волну света или звука, но ее значение (точнее, значение ее квадрата) определяет вероятность обнаружения частицы в любом данном месте... Оказывается, что свет, как и атомы, может сушествовать только в определенных квантовых состояниях с определенной энергией. Например, красно-оранжевый свет длиной волны 0,62 мкм может сушествовать только в состояниях с энергиями, равными нулю или 2, 4, 6 и т. д. эВ, которые мы интерпретируем как состояния без фотонов или содержашие один, два, три и т.д. фотонов, энергия каждого из которых равна 2 эВ.

Почему? Почему уравнения квантовой механики, определяюшие поведение частиц в атомах, таковы, каковы они есть? Почему вешество состоит из этих частиц, электронов и атомных ядер? Почему в этом вешестве возникает излучение света? Большая часть этих вопросов была довольно загадочной и в 1920-е, и в 1930-е гг., когда квантовая механика была впервые применена для описания атомов и света. Достаточное понимание пришло лишь около пятнадцати лет тому назад в связи с успешным развитием так называемой стандартной модели элементарных частиц и сил. Ключевым предварительным условием этого нового понимания было объединение в 1940-х гг. квантовой механики с другой революционной теорией в физике XX в. — эйнштейновской теорией относительности. Принципы теории относительности и квантовой механики почти несовместимы друг с другом и могут сосушествовать лишь в рамках очень узкого класса теорий. В рамках нерелятивистской квантовой механики 1920-х гг. можно было вообразить почти любой характер сил, действуюших между электронами и ядрами, но в релятивистской теории, как мы увидим, это не так: силы, действуюшие между частицами, могут возникать только за счет обмена другими частицами. Более того, вообше все частицы представляют собой сгустки энергии или кванты полей разного сорта...

Почему? Почему мир состоит только из этих полей, а именно полей кварков, электронов, фотонов и т.п.? Почему их свойства такие, как предполагается в стандартной модели? И почему именно для этой материи природа подчиняется принципам теории относительности и квантовой механики? К сожалению, ответов на эти вопросы пока нет...

Общеизвестно, что слово «почему» имеет весьма неопределенный смысл. Философ Эрнст Нагель приводит десять вариантов вопросов, в которых это слово употребляется в десяти разных смысловых значениях , например: «Почему лед плавает на воде?», «Почему Кассий организовал убийство Цезаря?» и «Почему у людей есть легкие?». На ум приходят и другие примеры, в которых слово «почему» употребляется в ином смысле, скажем, «Почему я родился?» В последнем примере использование слова «почему» похоже по смыслу на его использование во фразе «Почему лед плавает на воде?» и не предполагает какой-либо осознанной цели.

Но даже и в этом случае довольно сложно точно сказать, что же делает человек, пытаясь ответить на такой вопрос. К счастью, в этом нет необходимости. Научное объяснение есть некий способ поведения, доставляющий нам такое же удовольствие, как любовь или искусство. Наилучший способ понять, что же такое научное объяснение, это испытать особое чувство воодушевления, возникающее тогда, когда кто-нибудь (лучше всего, вы сами) добивается реального объяснения какого-то явления. Я совсем не имею в виду что можно заниматься научными объяснениями без всяких правил. Здесь существуют такие же ограничения, как в любви и в искусстве. Во всех трех случаях есть общепринятые истины, которые следует уважать, хотя, конечно, эти истины совершенно различны в науке, любви и искусстве. Я также не утверждаю, что совсем не интересно попытаться описать, как устроена наука, но думаю, что для работы в науке это не нужно, точно так же, как это не нужно в искусстве и в любви...

То же утверждение верно и в других областях физики, например в связанных между собой явлениях хаоса и турбулентности. Физики, работающие над этими проблемами, обнаружили, что снова и снова, в самых разных ситуациях, повторяются одни и те же типы поведения системы; например, считается, что в турбулентном потоке жидкости любого сорта распределение энергии по отдельным завихрениям разного размера универсально, идет ли речь о турбулентности приливной волны на гавайском пляже или о турбулентности, возникшей в межзвездном газе в результате пролета звезды. Однако не все потоки жидкости турбулентны, и даже если турбулентность возникла, она не всегда проявляет эти «универсальные» свойства. Каковы бы ни были математические соображения, приводящие к выводу об универсальных свойствах турбулентности, нам все равно надлежит объяснить, почему эти соображения применимы к любому конкретному турбулентному потоку а этот вопрос неизбежно требует ответа, включающего как случайности (скорость приливной волны или форма трубы, по которой течет жидкость), так и универсальные закономерности (свойства воды и законы движения жидкости), которые в свою очередь должны быть объяснены с помощью более глубоких законов.

Аналогичные рассуждения применимы и к биологии. В этом случае большая часть того, что мы наблюдаем, зависит от исторических случайностей, но есть несколько приближенно универсальных закономерностей, вроде правила биологии популяций, утверждающего, что особи мужского и женского рода имеют тенденцию рождаться в равных количествах. (В 1930 г. генетик Рональд Фишер объяснил, что если только в сообществе возникает тенденция производить, скажем, больше мужских, чем женских особей, то каждый ген, ответственный за то, что особь чаще рождает самок, а не самцов, начинает распространяться по всей популяции, так как несущие этот ген женские потомки встречают меньше конкуренции при поисках пары.) Подобные правила применимы к широкому кругу популяций. Можно думать, что они верны даже для жизни на других планетах, если только она воспроизводится половым путем. Аргументы, приводящие к этим правилам, одни и те же, идет ли речь о людях, птицах или инопланетянах. Однако рассуждения всегда покоятся на определенных предположениях о рассматриваемых организмах, и если мы зададимся вопросом, почему эти предположения следует считать правильными, мы должны будем искать ответ частично в исторических случайностях, а частично в универсальных закономерностях, вроде структуры ДНК (или того, что ее заменяет на других планетах), что в свою очередь находит объяснение в физике и химии, а следовательно в стандартной модели элементарных частиц...

Из всех разделов знания, которые мы пытаемся связать с принципами физики с помощью стрелок объяснений, наибольшую трудность вызывает проблема сознания. Мы ведь сразу постигаем наши собственные мысли, без всякого вмешательства чувств, так как же можно рассматривать сознание в рамках физики и химии? Физик Брайан Пиппард, занимавший кресло Максвелла в качестве Кавендишевского профессора в Кембриджском университете, выразил это так: «Вот уж что действительно немыслимо, так это то, что физик-теоретик, даже обладая компьютером неограниченной мощности, должен вывести из законов физики, будто какая-то сложная структура уверена в своем существовании».

Должен сознаться, что эти вопросы для меня ужасно трудны и я не обладаю необходимой специальной подготовкой. Все же я не согласен с Пиппардом и многими другими учеными, занимающими те же позиции. Ясно, что здесь мы имеем дело с тем, что литературовед назвал бы предметным коррелятом к сознанию. Я наблюдаю, что физические и химические изменения у меня в мозгу и в теле соотносятся (и как причина, и как следствие) с изменениями в моих сознательных мыслях. Я смеюсь, когда чем-то обрадован; мой мозг проявляет разную электрическую активность, когда я сплю и когда бодрствую; сильные эмоции управляются количеством гормонов в моей крови; кроме того, я иногда произношу вслух свои мысли. Все это еще не сознание в чистом виде; я никогда не смогу выразить с помощью смеха, волн мозговой активности, гормонов или слов, что значит чувствовать, что ты грустен или весел. Но оставим на минутку сознание в стороне. Разумно считать, что эти предметные корреляты к сознанию могут изучаться научными методами и в конечном счете могут быть объяснены через физику или химию мозга и тела...

...Открытие связной сходящейся структуры научных объяснений сослужило большую службу, научив нас, что в природе нет места астрологии, телекинезу, креационизму и другим предрассудкам.

ГЛАВА III. Похвала редукционизму

Дорогая, ты и я знаем, почему
Летом небо голубое
И птички в ветвях
Поют свои песни.
(Мередит Вильсон)

Если вы начнете спрашивать всех окружающих, почему вещи такие, а не иные, и получите в ответ объяснение, основанное на каких-то научных принципах, а затем станете снова спрашивать, почему эти принципы верны, и наконец, как плохо воспитанный ребенок, будете после любого ответа спрашивать: «Почему? Почему? Почему?», то рано или поздно кто-нибудь обзовет вас редукционистом. Под этим словом разные люди понимают разные вещи, но думаю, что в любых рассуждениях о редукционизме есть нечто общее, а именно идея иерархии, когда некоторые истины считаются менее фундаментальными, чем другие, и первые могут быть сведены ко вторым, например химия — к физике...

Взгляды оппонентов редукционизма образуют широкий идеологический спектр. На его наиболее разумном крае находятся те, кто отрицает самые наивные формы редукционизма. Я отношусь к таким взглядам с уважением. Сам я считаю себя редукционистом, но все же не думаю, что единственными интересными и глубокими проблемами в науке или даже в физике являются проблемы физики элементарных частиц. Я совершенно не думаю, что химики должны бросить все, что они делают, и вместо этого заняться решением уравнений квантовой механики для разных молекул. Я также не считаю, что биологи должны перестать размышлять о растениях и животных как целостных организмах и думать только о клетках и ДНК. С моей точки зрения, редукционизм это не руководство для программы исследований, а способ отношения к самой природе. Я имею в виду лишь то ощущение, что наши научные принципы являются следствиями более глубоких научных принципов (и, возможно, исторических случайностей) и что все эти принципы можно свести к простому набору связанных между собой законов. На данном этапе истории науки ученые полагают, что наилучший способ приблизиться к этим законам заключается в изучении физики элементарных частиц, хотя это и случайный аспект редукционизма, который может измениться со временем.

На другом краю спектра находятся те оппоненты редукционизма, которых приводят в ужас унылые перспективы развития современной науки. Чем в большей степени они и мир, в котором они живут, могут быть сведены к частицам, полям и их взаимодействиям, тем больше они чувствуют себя униженными этим знанием. Герой повести Достоевского «Записки из подполья» представляет себе ученого, говорящего ему: «...природа нас не спрашивается; нужно принимать ее так, как она есть, а не так, как мы фантазируем, и если мы действительно стремимся к табличке и к календарю, ну, и ... ну хоть бы даже и к реторте, то что же делать, надо принять и реторту!» и отвечает: «Эх, господа, какая уж тут своя воля будет, когда дело доходит до таблички и до арифметики, когда будет одно только дважды два четыре в ходу? Дважды два и без моей воли четыре будет. Такая ли своя воля бывает!» Уж совсем экстремистами являются те, кто помешался на холизме , так что их реакция на редукционизм принимает форму веры в психическую энергию, жизненные силы и т. п. явления, не имеющие объяснения с помощью обычных законов неодушевленной природы. Я не буду даже пытаться отвечать этим критикам с помощью занудных разговоров о красотах современной науки. Редукционистское мировоззрение обязательно предусматривает холодный рассудок и беспристрастность. Это мировоззрение надо принимать таким, каким оно есть, и не потому, что оно нам нравится, а потому, что так устроен мир.

В средней части спектра антиредукционистов находится группа более влиятельных и менее бескорыстных людей. Это те ученые, которые приходят в ярость, когда слышат, что их разделы науки основываются на более глубоких законах физики элементарных частиц.

В течение ряда лет я ожесточенно спорил по поводу редукционизма со своим хорошим другом, биологом-эволюционистом Эрнстом Майром. Среди прочих заслуг этого ученого — лучшее из имеющихся определений понятия биологических видов. Споры начались, когда объяснение открытия ДНК повлечет обвинение некоторых биологов в таком же дурном редукционизме, каким представляются Андерсону притязания физиков, занимающихся частицами. Например, Гарри Рубин писал несколько лет тому назад, что «революция, вызванная открытием ДНК, привела к тому, что целое поколение биологов поверило, будто секрет жизни полностью сокрыт в структуре и функциях ДНК. Эта вера сейчас поколеблена и редукционистская программа должна быть дополнена новыми концепциями». Мой друг Эрнст Майр в течение многих лет борется против редукционистского направления в биологии, которое, как он опасается, пытается свести все, что мы знаем о жизни, к изучению ДНК, и добавляет, что «хотя благодаря открытию ДНК, РНК и т. п. была раскрыта химическая природа ряда черных ящиков классической генетики, все же это ни в коей мере не раскрыло суть передачи наследственности».

Я не собираюсь вступать в эту полемику среди биологов, по крайней мере на стороне антиредукционистов. Нет сомнений, что открытие ДНК оказалось необычайно важным для многих областей биологии. И все же есть некоторые биологи, работу которых непосредственно не затронули открытия в молекулярной биологии. Знание структуры ДНК приносит мало пользы специалисту в области популяционной экологии, пытающемуся объяснить разнообразие видов растений в тропических дождевых лесах, или биомеханику, пытающемуся понять полет бабочек. Я полагаю, что даже если ни один биолог не получил бы никакой пользы от открытий в молекулярной биологии, все же существует один важный аспект этих открытий, который и дает право Андерсону говорить о секрете жизни. Дело не в том, что открытие ДНК было фундаментальным для всех наук о жизни, а в том, что ДНК сама есть основа всей жизни. Живые существа таковы, каковы они есть, потому что они прошли долгий путь эволюции к теперешнему виду, а эта эволюция оказалась возможной благодаря свойствам ДНК и связанных с ней молекул, позволяющим организму передавать свой генетический код потомству. Точно так же, независимо от того, полезны или нет открытия в физике элементарных частиц всем другим ученым, принципы физики элементарных частиц являются фундаментом всей природы...

ГЛАВА IV. Квантовая механика и ее критики

Играющий ставил шар на стол и ударял по шару кием. Следя за катящимся шаром, мистер Томпкинс к своему большому удивлению заметил, что шар начал «расплываться». Это было единственное выражение, которое пришло ему на ум при виде странного поведения бильярдного шара, который, катясь по зеленому полю, казался все более и более размытым, на глазах утрачивая четкость своих контуров. Казалось, что по зеленому сукну катится не один шар, а множество шаров, к тому же частично проникающих друг в друга. Мистеру Томпкинсу часто случалось наблюдать подобные явления и прежде, но сегодня он не принял ни капли виски и не мог понять, почему так происходит.
(Георгий Гамов. "Мистер Томпкинс исследует атом")

Открытие квантовой механики в середине 1920-х гг. было самой глубокой революцией в физической теории с момента зарождения современной физики в XVII в. Когда мы рассматривали выше свойства кусочка мела, наша цепочка вопросов снова и снова приводила к ответам, сформулированным на языке квантовой механики. Все затейливые математические теории, которыми в последние годы занимаются физики, — квантовые теории поля, калибровочные теории, теории суперструн — все они формулируются в рамках квантовой механики. Если и есть что-то в нашем сегодняшнем понимании природы, что имеет шанс выжить в окончательной теории, так это квантовая механика.

Историческая важность квантовой механики состоит не только в том, что она дала ответы на многие старые вопросы об устройстве материи; значительно важнее, что она изменила наши представления о тех вопросах, которые нам разрешено задавать. С точки зрения последователей ньютоновской физики, теории предназначены для того, чтобы обеспечивать математический аппарат, позволяющий физикам вычислять положения и скорости частиц в любой системе во все будущие моменты времени, если полностью известны (что никогда не реализуется на практике) значения этих величин в любой данный момент времени. Однако квантовая механика принесла с собой совершенно иной способ описания состояния системы. В ней мы используем математические конструкции, называемые волновыми функциями, которые дают информацию только о вероятностях возможных значений положений и скоростей частиц в системе. Это изменение взгляда столь глубоко, что физики сейчас используют слово «классический» не по отношению к древним грекам и римлянам или к Моцарту и т. д., а по отношению к периоду «до квантовой механики».

Физики продолжали ожесточенно спорить об интерпретации квантовой механики в течение многих лет после того, как они научились решать уравнение Шрёдингера. Среди них выделялся Эйнштейн, отвергавший квантовую механику в своей работе; большинство физиков просто пыталось ее понять. Многие споры на эти темы проходили в Институте теоретической физики Копенгагенского университета под руководством Нильса Бора. Особое внимание Бор обращал на удивительное свойство квантовой механики, названное им дополнительностью: знание одного свойства или аспекта поведения системы исключает знание ряда других свойств. Соотношение неопределенностей Гейзенберга как раз являлось примером дополнительности: знание положения частицы (или импульса) исключает знание ее импульса (или положения).

В начале 1930-х гг. дискуссии в институте Бора привели к созданию ортодоксальной «копенгагенской» формулировки квантовой механики, использовавшей значительно более общие понятия, чем употребляемые в волновой механике отдельных электронов. Независимо от того, состоит ли система из одной или многих частиц, ее состояние в любой момент времени описывается набором чисел — значениями волновой функции, причем каждое число соответствует определенной возможной конфигурации системы. Одно и то же состояние можно описать, перечисляя значения волновой функции для конфигураций, заданных множеством разных способов, например, указанием положений всех частиц в системе, или импульсов всех этих частиц, или многими другими способами. Однако невозможно описать систему, задав одновременно положения и импульсы всех частиц.

Суть копенгагенской интерпретации состоит в резком отделении самой системы от тех приборов, которые используются для измерения ее конфигурации. Как подчеркивал Макс Борн, в промежутках между измерениями значения волновой функции изменяются идеально непрерывным и детерминированным образом, определяемым некоторой обобщенной версией уравнения Шрёдингера. В это время нельзя говорить, что система находится в какой-то определенной конфигурации. Если же мы измеряем конфигурацию системы (т.е. измеряем положения или импульсы всех частиц, но не эти величины одновременно), система скачком переходит в состояние с той или иной конфигурацией, причем вероятности нахождения системы в этих конфигурациях определяются квадратами значений их волновых функций перед измерением...

Ортодоксальная копенгагенская интерпретация, которую я до сих пор излагал, базируется на резком разграничении физической системы, управляемой законами квантовой механики, и прибора, используемого для изучения этой системы и описываемого классически, т. е. согласно законам доквантовой физики. Наша мифическая частица может иметь волновую функцию со значениями как здесь, так и там, но когда ее наблюдают, она каким-то образом становится с достоверностью равной либо здесь, либо там, причем совершенно непредсказуемым образом, если не считать вероятностей. Но это различие в подходах к системе, которую наблюдают, и прибору, которым это делают, есть несомненная фикция. Мы полагаем, что квантовая механика управляет всем во Вселенной, не только поведением отдельных электронов, но и поведением измерительных приборов и самих людей, использующих эти приборы. Если волновая функция описывает измерительный прибор, так же как и наблюдаемую систему, и при этом эволюционирует детерминированно по законам квантовой механики даже во время измерения, то, как спрашивает Крошка Тим, откуда же берутся вероятности?

Неудовлетворенность искусственным разделением систем и наблюдателей в рамках копенгагенской интерпретации привела многих ученых к совершенно иной точке зрения, к интерпретации квантовой механики на основе идеи о множественности миров или множественности историй. Впервые такая интерпретация была представлена в диссертации Хью Эверетта из Принстона. Согласно этой точке зрения, измерения типа здесь—там над нашей мифической частицей представляют определенное взаимодействие между частицей и прибором, в результате которого волновая функция комбинированной системы перестраивается так, что имеет заметные значения лишь для двух конфигураций; одно значение соответствует конфигурации, в которой частица находится здесь и указатель прибора указывает на здесь, другое значение соответствует возможности, что частица находится там и прибор показывает там. Существует и определенная волновая функция, возникшая совершенно детерминированным образом по законам квантовой механики в результате взаимодействия частицы с измерительным прибором. Однако два значения волновой функции соответствуют двум состояниям с разной энергией, а так как измерительный прибор макроскопический, то разница в энергиях двух состояний очень велика и два значения волновой функции осциллируют на сильно отличающихся частотах. Наблюдение положения указателя на приборе напоминает случайную настройку на одну из двух радиостанций, WZ-ЗДЕСЬ и YX-TAM; если несущие частоты достаточно разделены, интерференция не возникает и вы принимаете ту или другую радиостанцию с вероятностью, пропорциональной интенсивности сигнала. Отсутствие интерференции между двумя значениями волновой функции означает, что, по существу, мировая история расщепилась на две истории, в одной из которых частица находится здесь, а в другой — там, и с этого момента две истории развиваются без взаимодействия друг с другом.

Применяя правила квантовой механики к комбинированной системе из частицы и измерительного прибора, можно на самом деле доказать, что вероятность обнаружить частипу здесь, а указатель прибора в положении здесь, пропорциональна квадрату значения здесь волновой функции частицы перед тем самым мгновением, когда она начала взаимодействовать с измерительным прибором, что как раз и постулируется в копенгагенской интерпретации квантовой механики. Однако вопрос Крошки Тима все еще остается без ответа. При вычислении вероятности того, что комбинированная система из частицы и измерительного прибора имеет одну из двух конфигураций, мы неявно все-таки протащили наблюдателя, который считывает показания прибора и обнаруживает надписи здесь или там. Хотя при этом прибор рассматривается квантово-механически, наблюдатель считается классическим; он обнаруживает, что указатель совершенно определенно указывает либо на здесь, либо на там, причем это нельзя предсказать заранее иначе как вероятностным образом. Конечно, можно и наблюдателя рассматривать квантово-механически, но ценой введения другого наблюдателя, который детектирует результаты наблюдений первого, читая, например, статью в физическом журнале. И так далее.

Множество физиков работало над тем, чтобы очистить основы квантовой механики от любых утверждений о вероятностях или каком-то ином интерпретирующем постулате, различающем системы и наблюдателей. То, что требуется, это квантовомеханическая модель с волновой функцией, описывающей не только различные изучаемые системы, но и как-то учитывающей наличие сознательного наблюдателя. Имея такую модель, можно попытаться показать, что в результате повторяющихся взаимодействий наблюдателя с отдельными системами волновая функция комбинированной системы с достоверностью эволюционирует к конечной волновой функции, причем наблюдатель в этом конечном состоянии уверен, что вероятности индивидуальных измерений совпадают с предсказаниями в рамках копенгагенской интерпретации. Я не убежден, что такая программа исследований успешно завершена, но думаю, что это может произойти рано или поздно. И тогда реализм Скруджа одержит полную победу.

Самое удивительное в том, насколько все это не имеет значения. Большинство физиков использует квантовую механику в повседневной работе, не заботясь о фундаментальных проблемах ее интерпретации. Будучи здравомыслящими людьми, имеющими очень мало времени на то, чтобы успевать следить за новыми идеями и данными в своей собственной области, они совершенно не тревожатся по поводу всех этих фундаментальных проблем. Недавно Филип Канделас (с физического факультета Техасского университета) ждал вместе со мной лифт, и разговор зашел о молодом теоретике, подававшем надежды на старших курсах и затем исчезнувшем из вида. Я спросил Фила, что помешало бывшему студенту продолжать исследования. Фил грустно покачал головой и сказал: «Он попытался понять квантовую механику».

Философия квантовой механики настолько не имеет отношения к ее реальному использованию, что начинаешь подозревать, что все глубокие вопросы о смысле измерения на самом деле пусты, порождены несовершенством нашего языка, который создавался в мире, практически управляющемся законами классической физики. Но я признаю, что ощущаю некоторый дискомфорт, всю жизнь используя теорию, которую никто толком не понимает. Нам ведь на самом деле необходимо лучше понимать квантовую механику, если мы хотим заниматься квантовой космологией, т. е. применением квантовой механики ко Вселенной в целом, когда даже вообразить нельзя, что существует какой-то внешний наблюдатель. Сейчас Вселенная слишком огромна для квантовой механики, чтобы это имело значение, но, согласно теории Большого взрыва, в прошлом было время, когда частицы находились настолько близко друг к другу, что квантовые эффекты должны были быть существенными. В наши дни никто даже не знает правил применения квантовой механики в подобной ситуации.

С моей точки зрения, еще интереснее вопрос о том, является ли квантовая механика с необходимостью истинной наукой. Квантовая механика имела феноменальный успех при объяснении свойств частиц, атомов и молекул, так что мы уверены, что она является очень хорошим приближением к истине. Но вопрос заключается в том, не существует ли другой логически возможная теории, предсказания которой очень близки, но все же отличаются от предсказаний квантовой механики...

...Я просто не знаю, как можно немного изменить квантовую механику, не разрушив ее в результате до основания.

Этот крах теоретической попытки найти приемлемую альтернативу квантовой механике в еще большей степени, чем точные эксперименты по проверке линейности, убеждает меня, что квантовая механика такова, какова она есть, потому что любое ее малое изменение обязательно приведет к логическим противоречиям. Если это так, то квантовая механика должна быть постоянной частью физики. Иными словами, квантовая механика должна выжить не как приближение к более глубокой истине, подобно тому, как ньютоновская теория тяготения сохранилась как приближение к эйнштейновской общей теории относительности, а как точно выполняющееся свойство окончательной теории.

ГЛАВА IX. Контуры окончательной теории

...Если
Вы можете глядеть в посев времен
И знаете судьбу зерна любого,
Скажите мне...
(В. Шекспир. Макбет . Акт I, сцена 3)

Вполне возможно, что нас отделяют века от окончательной теории, и она окажется совершенно непохожей на то, что мы способны сегодня вообразить. Но допустим на мгновение, что эта теория совсем близко, за углом. Что мы можем в этом случае сказать о ней на основании уже известных нам знаний?

Один из разделов современной физики, который, по моему мнению, сохранится неизменным в окончательной теории — квантовая механика. Дело не только в том, что квантовая механика является основой всех наших представлений о материи и разных взаимодействиях и прошла невиданно жесткую экспериментальную проверку; более важно то, что никому не удалось придумать способ хоть как-нибудь изменить квантовую механику, который сохранил бы все ее достоинства, но не привел бы к логическим противоречиям.

Хотя квантовая механика является как бы сценой, на которой разыгрываются все явления природы, сама по себе эта сцена пуста. Квантовая механика позволяет вообразить бесчисленное множество возможных физических систем: систем, состоящих из частиц любого сорта и взаимодействующих самым разным образом, и даже систем, вообще не состоящих из частиц. История физики в XX в. отмечена все возрастающим пониманием того, что актеров в драме, разыгрывающейся на квантовой сцене, определяют принципы симметрии. Современная стандартная модель сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий основана на симметриях, а именно на пространственно-временных симметриях специальной теории относительности, которые требуют, чтобы стандартная модель была сформулирована на языке теории полей, и на внутренних симметриях, требующих существования электромагнитного и других полей, переносящих взаимодействия. Тяготение тоже можно понять с помощью принципов симметрии, заложенных в эйнштейновскую общую теорию относительности и утверждающих, что законы природы не должны меняться в результате любых возможных изменений нашего описания событий в пространстве и времени.

На основании векового опыта общепризнано, что окончательная теория должна покоится на принципах симметрии. Мы ожидаем, что эти симметрии объединят тяготение со слабыми, электромагнитными и сильными взаимодействиями стандартной модели. Но за прошедшие десятилетия мы так и не узнали, каковы эти симметрии, и не сумели построить удовлетворительной квантовой теории гравитации, включающей симметрии общей теории относительности. Возможно, мы близки к переменам. За последнее десятилетие бурно развивался радикально новый подход к квантовой теории гравитации, а может быть, и ко всему остальному, — теория струн. Эта теория является первым приемлемым кандидатом на окончательную теорию.

Корни теории струн восходят к 1968 г., когда теоретики пытались понять, как устроены сильные взаимодействия, не обращаясь к квантовой теории полей, не пользовавшейся тогда популярностью. Молодой теоретик из ЦЕРНа Габриэле Венециано сумел просто угадать формулу, определявшую вероятности рассеяния двух частиц на разные углы при разных энергиях и обладавшую некоторыми общими свойствами, которые вытекали из принципов теории относительности и квантовой механики. Используя известные математические приемы, которые в свое время проходит каждый студент-физик, он сумел построить поразительно простую формулу, удовлетворявшую всем необходимым условиям. Формула Венециано привлекла всеобщее внимание. Вскоре другие теоретики обобщили ее и положили в основу систематической приближенной схемы. В те годы никто и не помышлял о возможном применении этих идей к квантовой теории тяготения. Вся работа мотивировалась надеждой лучше понять сильные ядерные взаимодействия. (До создания правильной теории сильных взаимодействий — квантовой теории поля, известной под названием квантовая хромодинамика, оставалось еще несколько лет.)

В процессе работы стало ясно, что формула Венециано и ее расширения и обобщения — не просто удачные догадки, а теория физических сущностей нового типа, получивших название релятивистских квантово-механических струн. Конечно, обычные струны состоят из частиц — протонов, нейтронов, электронов. Но новые струны совсем другие: предполагается, что протоны и нейтроны состоят из них. Дело обстояло не так, будто на кого-то сошло вдохновение и он догадался, что материя построена из струн, а затем начал строить соответствующую теорию; на самом деле теория струн была построена до того, как кто-то понял, что это такое...

Так как теории струн включают в себя гравитоны и еще кучу других частиц, впервые возникает основа для построения возможной окончательной теории. Действительно, поскольку представляется, что наличие гравитона — неизбежное свойство любой теории струн, можно сказать, что такая теория объясняет существование гравитации. Эдвард Виттен, ставший позднее ведущим специалистом по теории струн, узнал об этой стороне теории в 1982 г. из обзорной статьи теоретика Джона Шварца. Он вспоминает, что эта мысль стала «величайшим интеллектуальным потрясением в моей жизни».

Похоже, что теории струн сумели решить и проблему бесконечностей, сводившую на нет все предыдущие попытки построения квантовой теории тяготения. Хотя струны и выглядят как точечные частицы, все же главное в них то, что они не являются точечными. Можно убедиться, что бесконечности в обычных квантовых теориях поля непосредственно связаны с тем, что поля описывают точечные частицы. (Например, закон обратных квадратов для силы взаимодействия точечных электронов приводит к бесконечной величине силы, если поместить оба электрона в одну точку.) С другой стороны, должны образом сформулированная теория струн, похоже, вообще свободна от бесконечностей!

Интерес к теориям струн реально возник в 1984 г., после того, как Джон Шварц вместе с Майклом Грином показали, что две конкретные теории струн прошли проверку на математическую непротиворечивость (что не удавалось доказать в ранее изучавшихся струнных теориях). Наиболее волнующим свойством теорий, рассмотренных Грином и Шварцем, было то, что они обладали определенной жесткостью, той самой, которую мы хотели бы видеть в окончательной теории. Хотя можно было представить себе огромное количество разных теорий открытых струн, оказалось, что только две из них имеют смысл с математической точки зрения. Энтузиазм в отношении теорий струн достиг уровня лихорадки, когда одна группа теоретиков показала, что низкоэнергетический предел двух теорий Грина—Шварца необычайно напоминает нашу сегодняшнюю модель слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий, а другая группа (ее прозвали «Принстонский струнный квартет» ) обнаружила ряд струнных теорий, еще более соответствующих стандартной модели. Многим теоретикам показалось, что удалось ухватить окончательную теорию.

С тех пор энтузиазм несколько поостыл. Сейчас ясно, что существуют тысячи теорий струн, столь же математически состоятельных, как и первые две теории Грина—Шварца. Все эти теории удовлетворяют некоторой фундаментальной симметрии, известной как конформная симметрия. Такая симметрия возникает не из наблюдений природных явлений, как, скажем, эйнштейновский принцип относительности. Напротив, конформная симметрия представляется необходимой , чтобы гарантировать совместимость теорий струн с квантовой механикой. С этой точки зрения, тысячи разных теорий струн просто представляют разные способы удовлетворить требованиям конформной симметрии. Широко распространено мнение, что все эти разные теории струн на самом деле не разные, а лишь представляют различные способы решения уравнений одной и той же лежащей в основе всего теории. Но мы в этом не уверены, и никто не знает, какой могла бы быть такая теория. Каждая из тысяч отдельных теорий струн обладает своей пространственно-временной симметрией. Некоторые из этих теорий удовлетворяют принципу относительности Эйнштейна, в других теориях мы не можем даже различить что-то, напоминающее обычное трехмерное пространство. Кроме того, каждая теория струн обладает своими внутренними симметриями того же общего типа, как и внутренние симметрии, лежащие в основе сегодняшней стандартной модели слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий. Но главное отличие теорий струн от всех более ранних теорий заключается в том, что пространственно-временные и внутренние симметрии не задаются в теории струн руками, а являются математическими следствиями конкретного способа, которым законы квантовой механики (а следовательно, требование конформной симметрии) удовлетворяются в каждой конкретной теории струн. Поэтому теории струн потенциально представляют собой важный шаг вперед в рациональном объяснении природы. Кроме того, они, по-видимому, являются наиболее глубокими, математически непротиворечивыми теориями, совместимыми с принципами квантовой механики, и в частности, единственными такими теориями, включающими что-то, похожее на тяготение.

Довольно много современных молодых физиков-теоретиков работают над развитием теории струн. Получено несколько вдохновляющих результатов. Например, оказалось, что в рамках теории струн естественно получается равенство констант взаимодействия сильных и электрослабых взаимодействий при очень больших энергиях, определяемых через натяжение струны, хотя и нет отдельной симметрии, объединяющей эти взаимодействия. Тем не менее, до сих пор не удается получить детальные количественные предсказания, позволяющие осуществить решающую проверку теории струн.

Этот тупик привел к печальному расколу физического сообщества. Теория струн предъявляет к исследователю большие требования. Очень мало теоретиков, работающих над другими проблемами, имеют достаточный запас знаний, чтобы понять технические детали в статьях по теории струн. В то же время, мало кто из специалистов по теории струн имеет время на изучение других разделов физики, особенно экспериментальной физики высоких энергий. Реакцией многих моих коллег на эту невеселую ситуацию явилась определенная враждебность по отношению к теории струн. Я не разделяю этих чувств. Теория струн представляется на сегодняшний день единственным кандидатом на окончательную теорию — как же, в таком случае, можно надеяться, что многие блестящие молодые теоретики откажутся от работы над этой теорией? Конечно, жалко, что теория пока что оказалась не слишком успешной, но, как и все остальные ученые, специалисты по струнам прилагают максимум усилий, чтобы преодолеть очень трудный период в истории физики. Мы просто обязаны надеяться на то, что либо теория струн приведет к более осязаемым результатам, либо новые эксперименты приведут к прогрессу в других направлениях.

К сожалению, никто еще не сумел построить конкретную теорию струн, включающую все пространственно-временные и внутренние симметрии и тот набор кварков и лептонов, который наблюдается в природе. Более того, мы даже до сих пор не знаем, как перечислить все возможные теории струн или узнать их свойства. Для решения этих проблем, похоже, нужно разработать новые методы вычислений, далеко выходящие за рамки тех методов, которые так хорошо работали в прошлом. Например, в квантовой электродинамике мы можем рассчитать эффект обмена двумя фотонами между электронами в атоме как малую поправку к эффекту обмена одним фотоном, а затем рассчитать эффект обмена тремя фотонами как еще меньшую поправку и т.д., прекратив это вычисление, как только оставшиеся поправки станут пренебрежимо малы. Такой метод вычислений называется теорией возмущений. Однако главные проблемы теории струн связаны с обменом бесконечным количеством струн, так что их нельзя решить методом теории возмущений.

Дела обстоят еще хуже. Даже если бы мы знали, как математически обращаться с теориями струн, и смогли бы найти какую-то одну из этих теорий, соответствующую наблюдаемым в природе явлениям, все равно у нес нет сегодня критерия того, почему именно эта теория струн применима к реальному миру. Я снова повторяю — цель физики на ее самом фундаментальном уровне заключается не только в том, чтобы описать мир, но и объяснить, почему он таков, каков он есть.

В поисках критерия, который позволит нам выбрать правильную теорию струн, нам, может быть, придется привлечь принцип, имеющий несколько сомнительный статус в физике. Его называют антропным принципом, и он утверждает, что законы природы должны разрешать существование разумных существ, которые могут задавать вопросы об этих законах.

Идея антропного принципа восходит к замечанию, что законы природы удивительно хорошо приспособлены к существованию жизни...

Все же мне не кажутся очень убедительными свидетельства того, что законы природы специально настроены так, чтобы сделать возможной жизнь. С одной стороны, группа физиков показала недавно, что можно существенно увеличить энергию обсуждаемого состояния ядра углерода без заметного уменьшения количества углерода, производимого в звездах . Кроме того, если мы начнем менять константы природы, найдется много других состоянии ядра углерода и других ядер, которые позволят осуществить альтернативный синтез элементов тяжелее гелия. У нас нет разумных способов оценить, сколь мала вероятность того, что константы природы должны принимать значения, приемлемые для существования разумной жизни.

Мы не знаем, нужен или нет антропный принцип для объяснения значений энергий ядерных состояний, но в одном случае этот принцип кажется просто основанным на здравом смысле. Возможно, существуют различные логически допустимые вселенные, причем каждая со своим набором фундаментальных законов. Если это так, то несомненно существует множество вселенных, законы и история эволюции которых делают их неприемлемыми для разумной жизни. Но всякий ученый, который спрашивает, почему мир такой, какой он есть, должен жить в одной из тех вселенных, где разумная жизнь могла возникнуть.

Слабым местом такой интерпретации антропного принципа является неясность понятия множественности вселенных. Одна из очень простых возможностей, предложенная Хойлом, заключается в том, что константы природы меняются от места к месту, так что Вселенная разделена на некие субвселенные с разными законами в них. Похожая интерпретация множественности вселенных возникает и в том случае, если мы допустим, что те числа, которые мы называем константами природы, были разными в разные эпохи эволюции Вселенной. Кроме того, много обсуждалась более революционная возможность, что наша и другие логически возможные вселенные с другими окончательными законами каким-то образом отщепляются от большей Мегавселенной. Например, при недавних попытках применить квантовую механику к гравитации было замечено, что хотя обычное пустое пространство выглядит спокойным и не имеющим никаких свойств, как поверхность океана, если смотреть на нее с большой высоты, то при более внимательном рассмотрении пространство кишит квантовыми флуктуациями, так что могут открыться «кротовые норы», соединяющие одни части Вселенной с другими частями, весьма удаленными в пространстве и во времени.

В 1987 г., следуя идеям более ранней работы Стивена Хокинга, Джеймса Хартля и других, Сидни Коулмен из Гарварда показал, что открывающиеся и закрывающиеся кротовые норы эквивалентны изменению различных констант, входящих в уравнения для разных полей. Как и в случае интерпретации квантовой механики с помощью идеи о множественности вселенных, волновая функция Вселенной разделяется на огромное количество слагаемых, каждое из которых соответствует разным значениям «констант» природы, принимаемых с разной вероятностью. Какую бы теорию этого типа не рассматривать, совершенно ясно, что мы обнаружим себя в той области пространства, или в той эпохе космической истории, или в том слагаемом общей волновой функции, в которых константы природы случайно приняли благоприятные для существования разумной жизни значения...

ГЛАВА X. На пути к цели

Наконец-то полюс!
Награда трех столетий...
Я не мог заставить себя осознать это.
Все казалось таким простым и обычным.
(Роберт Пири. Дневник)

Трудно представить, что мы когда-нибудь будем знать окончательные физические принципы, которые не объясняются с помощью еще более глубоких принципов. Многим кажется само собой разумеющимся, что вместо этого будет открываться бесконечная цепочка все более глубоких и глубоких принципов. Например, Карл Поппер, патриарх современных философов науки, отвергает «идею окончательного объяснения». Он настаивает, что «всякое объяснение можно объяснять дальше с помощью теории или предположения, имеющих большую степень универсальности. Не может существовать объяснения, не нуждающегося в дальнейшем объяснении...».

Может случиться, что Поппер и другие ученые, верящие в бесконечную цепь все более фундаментальных принципов, окажутся правы. Но мне кажется, что такую точку зрения нельзя обосновывать тем, что до сих пор никто не открыл окончательной теории. Это напоминает утверждения некоторых ученых XIX в., доказывавших, что поскольку все предыдущие арктические экспедиции в течение сотен лет обнаруживали, что как далеко на север не забирайся, там все равно остается еще больше неисследованных районов моря и льда, следовательно, либо нет никакого Северного полюса, либо во всяком случае никто его никогда не достигнет. Все же некоторым это удалось.

Создается широко распространенное впечатление, что в прошлом ученые часто убаюкивали себя мыслями, будто они нашли окончательную теорию. Они вели себя подобно исследователю Фредерику Куку, считавшему в 1908 г., что именно он достиг Северного полюса. Ученые строили сложные теоретические схемы, объявляли их окончательной теорией, а затем с тупым упорством защищали их, пока неопровержимые экспериментальные доказательства не убеждали новые поколения ученых, что все эти схемы были неверны. Но, насколько я знаю, ни один уважаемый физик в XX в. не заявлял о создании окончательной теории. Правда, физики иногда недооценивают то расстояние, которое нужно еще пройти, прежде чем достичь окончательной теории. Вспомним предсказание Майкельсона, сделанное в 1902 г., что «вскоре наступит день, когда сходящиеся линии от многих, кажущихся далекими друг от друга областей знания соединятся... в общей точке». Совсем недавно Стивен Хокинг, принимая Лукасовскую кафедру математики в Кембридже (эту кафедру занимали перед ним Ньютон и Дирак), предположил в своей вступительной лекции, что модные в то время теории «расширенной супергравитации» станут основой теории, похожей на окончательную. Сомневаюсь, чтобы Хокинг повторил это сегодня. Но ни Майкельсон, ни Хокинг не заявляли, что окончательная теория уже построена.

Если история чему-нибудь учит, так это тому, что окончательная теория существует. В XX в. мы наблюдали схождение стрел объяснений, похожую на схождение меридианов к Северному полюсу. Основополагающие принципы нашей науки хотя и не приняли окончательной формы, но постоянно становились все проще и экономнее. Мы видели это схождение на примере свойств кусочка мела. Я сам наблюдал все это на протяжении моей карьеры ученого. Когда я учился на старших курсах, мне приходилось поглощать огромное количество разнообразной информации о слабых и сильных взаимодействиях элементарных частиц. Сегодняшние студенты, занимающиеся физикой элементарных частиц, изучают стандартную модель, много новой математики и этим ограничиваются. (Профессора физики часто в отчаянии воздевают руки к небу, ругая студентов, которые так мало знают о реальных явлениях в физике частиц, но думаю, что те, кто учил меня в Корнелле и Принстоне, точно так же воздевали руки по поводу того, как мало я знаю фактов, касающихся атомной спектроскопии.) Очень трудно воспринимать последовательность все более и более фундаментальных теорий, становящихся все проще и всеохватнее, и не верить, что цепочка объяснений где-то сойдется.

Маловероятно, но возможно, что последовательности все более фундаментальных теорий не будут ни сходящимися, ни бесконечно продолжающимися. Кембриджский философ Майкл Редхед полагает, что они могут замкнуться сами на себя. Он отмечает, что ортодоксальная копенгагенская интерпретация квантовой механики требует существования макроскопического мира наблюдателей и измерительных приборов, что в свою очередь, объясняется с помощью квантовой механики. Эта точка зрения, по-моему, дает еще один пример неудовлетворительности копенгагенской интерпретации и разнице в подходах к объяснению квантовых явлений и наблюдателей, которые их изучают. В реалистическом же подходе к квантовой механике Хью Эверетта и других существует только одна волновая функция, описывающая все явления, включая опыты и наблюдателей, причем фундаментальные законы описывают эволюцию этой волновой функции.

Еще более радикальной является гипотеза, что на дне мы обнаружим вообще полное отсутствие законов. Мой друг и учитель Джон Уилер когда-то предположил, что нет никакого фундаментального закона, а все законы, которые мы сейчас изучаем, приписываются природе благодаря тем способам, которыми мы совершаем наблюдения. Рассуждая несколько иначе, теоретик из Копенгагена Хольгер Нильсен предложил «случайную динамику», согласно которой, что бы мы ни предположили об устройстве природы на очень малых расстояниях или при очень больших энергиях, все явления, доступные наблюдению в наших лабораториях, будут выглядеть примерно одинаково.

Мне кажется, что и Уилер, и Нильсен просто отпихивают от себя проблему окончательных законов. Мир Уилера, в котором нет законов, все равно нуждается в метазаконах, которые должны указывать нам, как наблюдения создают регулярности в природных явлениях. Среди метазаконов должна быть и сама квантовая механика. Аналогично, Нильсен нуждается в некотором метазаконе, объясняющем как выглядит природа, если изменить шкалу расстояний и энергий, в которой мы проводим наши измерения. Для этой цели он предполагает, что справедливы так называемые уравнения ренормализационной группы, но существование таких уравнений в мире без всяких законов кажется весьма проблематичным. Я подозреваю, что все попытки обойтись без фундаментальных законов природы если и будут успешными, то сведутся к введению метазаконов, описывающих как возникает то, что сейчас мы называем законами.

Есть еще одна возможность, которая представляется мне более вероятной и более тревожной. Возможно, что окончательная теория, т. е. простой набор принципов, из которых вытекают все объяснения, действительно существует, но мы никогда не сможем узнать, что это такое. Например, вполне может быть так, что люди просто недостаточно разумны, чтобы открыть или понять окончательную теорию. Вполне можно натренировать собаку выполнять разные умные вещи, но думаю, никому не удастся научить собаку использовать квантовую механику для расчета уровней энергии атома. Лучшим аргументом в пользу того, что наш род способен к дальнейшему интеллектуальному прогрессу является наша волшебная способность объединять наши мозги с помощью языка. Но этого может оказаться мало. Юджин Вигнер предупреждал, что «у нас нет оснований утверждать, что наш разум может сформулировать идеальные законы, полностью объясняющие явления неодушевленной природы». К счастью, до сих пор, похоже, наши интеллектуальные ресурсы не исчерпаны. По крайней мере, в физике каждое новое поколение студентов-старшекурсников кажется талантливее предыдущего.

Значительно большую тревогу вызывает то, что попытка открыть окончательные законы может упереться в проблему денег. Мы уже ощутили вкус этой проблемы во время недавних дебатов в США о завершении строительства ССК. Цена в 8 миллиардов долларов на десять лет вполне укладывается в возможности страны, но даже сами физики не торопятся предлагать более дорогие проекты ускорителей следующего поколения.

Помимо оставшихся невыясненными вопросов о стандартной модели, на которые мы надеемся получить ответ с помощью ССК, существуют и более глубокие вопросы, касающиеся объединения сильных, электрослабых и гравитационных взаимодействий, которые невозможно адресовать ни к одному из планируемых сейчас ускорителей. Истинно фундаментальная планковская энергия, при которой все эти вопросы можно экспериментально изучать, примерно в сто триллионов раз больше, чем энергия ССК. Ожидается, что все силы природы объединяются именно при этой энергии. Кроме того, согласно современным теориям струн, примерно такая же энергия нужна на то, чтобы возбудить первые моды колебаний струн, кроме тех низших мод, которые наблюдаются как обычные кварки, фотоны и другие частицы, описываемые стандартной моделью. К сожалению, такие энергии безнадежно недостижимы. Даже если объединить все экономические ресурсы человечества и направить их на решение этой задачи, мы все равно не представляем сегодня, как построить машину, способную ускорять частицы до таких энергий. Дело не в том, что сами по себе такие энергии недостижимы — планковская энергия, грубо говоря, равна химической энергии сгорания полного бака бензина в автомобиле. Трудность в том, как сконцентрировать всю эту энергию в одном протоне или электроне. Нам нужны совершенно новые идеи относительно конструкции ускорителей, кардинально отличающиеся от используемых сегодня. Возможно, удастся использовать ионизированный газ, чтобы облегчить передачу энергии от мощных лазерных пучков к отдельным заряженным частицам, но даже если это удастся осуществить, скорость реакций частиц при таких энергиях будет настолько мала, что эксперименты станут невозможными. Более вероятно, что новые достижения в теории или в экспериментах другого типа когда-нибудь сделают ненужным строительство ускорителей, позволяющих получить все большие и большие энергии.

Моя точка зрения заключается в том, что окончательная теория существует, и мы способны ее открыть. Может быть, эксперименты на ССК дадут настолько важную новую информацию, что теоретики смогут завершить работу над окончательной теорией, не обращаясь к изучению процессов между частицами при планковских энергиях. Возможно, что уже сегодня мы можем подобрать кандидата на подобную окончательную теорию среди теорий струн.

Как было бы странно, если бы окончательная теория была создана при нашей жизни! Открытие окончательных законов природы означало бы самый резкий скачок в интеллектуальной истории человечества со времен начала развития современной науки в XVII в. Можем ли мы сейчас вообразить, на что все это было бы похоже?

Хотя и нетрудно представить окончательную теорию, которая не имеет объяснений с помощью более глубоких принципов, очень трудно вообразить окончательную теорию, которая не нуждается в таком объяснении. Какой бы ни была окончательная теория, она определенно не будет логически неизбежной. Даже если окажется, что окончательная теория — это теория струн, которую можно выразить в нескольких простых уравнениях, и даже если нам удастся показать, что это единственно возможная квантово-механическая теория, способная математически непротиворечиво описать гравитацию наравне с другими силами, мы все равно не перестанем задавать себе вопросы, почему вообще существует тяготение, и почему природа должна подчиняться правилам квантовой механики. Почему Вселенная не состоит просто из точечных частиц, вечно вращающихся по своим орбитам согласно законам ньютоновской механики? Почему вообще все существует? Редхед, возможно, отражает точку зрения большинства, когда отрицает всякий смысл «в поиске каких-то самодостаточных априорных оснований науки».

С другой стороны, Уилер как-то заметил, что когда мы доберемся до окончательных законов природы, мы будем страшно удивлены, как это мы до них сразу не догадались. Возможно, Уилер и прав, но только потому, что очевидность этих законов станет для нас результатом хорошей тренировки, которая длилась многие века научных разочарований и успехов. Думаю, что старый вопрос: «Почему?», может быть, в несколько смягченной форме, и в этом случае останется с нами. Гарвардский философ Роберт Нозик пытался разрешить эту проблему и пришел к выводу, что вместо попыток вывести окончательную теорию на основе чистой логики нам нужно искать аргументы в пользу привлекательности такой теории, выходящие за рамки голых фактов.

С моей точки зрения, лучшее, на что можно надеяться, — это доказать, что окончательная теория, не будучи логически неизбежной, все же логически изолирована. Иными словами, может оказаться, что хотя мы всегда сможем представить другие теории, полностью отличные от истинной окончательной теории (вроде скучного мира частиц, управляемых законами ньютоновской механики), обнаруженная нами окончательная теория будет настолько жесткой, что любая попытка хоть чуть-чуть ее изменить будет приводить к логическим противоречиям. В логически изолированной теории каждая константа природы может быть вычислена из первых принципов, малое изменение значения любой константы разрушит согласованность теории. Окончательная теория будет напоминать кусок дорогого фарфора, который невозможно согнуть, не разрушив. В этом случае, хотя мы и не будем знать, почему окончательная теория верна, мы будем, основываясь на логике и чистой математике, знать, по крайней мере, почему истина выглядит так, а не иначе.

Это не просто возможность: мы уже довольно далеко прошли по дороге к такой логически изолированной теории. Самыми фундаментальными из известных физических принципов являются законы квантовой механики, лежащие в основе всего, что мы знаем о материи и ее взаимодействиях. Квантовая механика не является логически неизбежной; нет ничего логически невозможного и в ее предшественнице — механике Ньютона. Тем не менее, все попытки физиков хоть чуточку изменить законы квантовой механики, не приходя при этом к логическим несуразностям вроде отрицательных значений вероятностей, полностью провалились.

Но квантовая механика сама по себе еще не есть полная физическая теория. Она ничего не говорит нам о том, какие частицы и силы могут существовать в природе. Откройте любой учебник по квантовой механике. Вы найдете там множество примеров самых разнообразных гипотетических частиц и сил, причем большинство из них не имеют ничего общего с теми, которые реально наблюдаются в природе. Но при этом все эти частицы и силы прекрасно согласуются с принципами квантовой механики, так что их можно использовать для тренировки студентов в применении этих принципов. Разнообразие возможных теорий резко уменьшается, если рассматривать только те квантово-механические теории, которые совместимы с специальной теорией относительности. Большинство таких теорий можно логически исключить, так как они тянут за собой всякие глупости, вроде бесконечных энергий или бесконечных скоростей реакций. Но и после этого остается множество логически возможных теорий, например, теория сильных ядерных взаимодействий — квантовая хромодинамика, в рамках которой во Вселенной нет ничего, кроме кварков и глюонов. Большинство из оставшихся теорий исключаются, если потребовать, чтобы они включали в себя гравитацию. Не исключено, что нам удастся математически доказать, что такие требования оставляют только одну логически возможную квантово-механическую теорию, возможно, какую-то единственную теорию струн. Если такое случится, то хотя и останется еще огромное количество других логически возможных окончательных теорий, лишь одна из них будет описывать что-то отдаленно напоминающее наш собственный мир.

Но почему окончательная теория должна описывать что-то похожее на наш мир? Объяснение, возможно, связано с тем, что Нозик назвал принципом плодовитости. Он утверждает, что все логически возможные вселенные в определенном смысле существуют, причем в каждой — свои наборы фундаментальных законов. Принцип плодовитости сам ничем не объясняется, но в нем есть, по крайней мере, какая-то приятная самосогласованность. Как пишет Нозик, принцип плодовитости утверждает, что «реализуются все возможности, в том числе, и возможность существования самого этого принципа».

Если такой принцип верен, то существует наш собственный квантово-механический мир, но существует и ньютоновский мир частиц, вечно вращающихся друг относительно друга, существуют бесчисленные миры, в которых нет ничего, и существуют столь же бесчисленные миры, свойства которых мы даже не можем себе представить. Разница между этими мирами не просто в разнице так называемых констант природы, меняющихся от одной части Вселенной к другой, от одной эпохе к другой или от одного слагаемого в волновой функции к другому. Как мы видели, все подобные возможности могут быть реализованы как следствия некоторой действительно фундаментальной теории, вроде квантовой космологии. Но при этом мы все равно должны будем понять, почему фундаментальная теория такая, а не другая. Вместо этого принцип плодовитости предполагает, что существуют совершенно разные вселенные, подчиняющиеся совершенно разным законам. Но если все эти вселенные недостижимы и непознаваемы, утверждение об их существовании, похоже, не имеет никакого смысла, кроме возможности избежать вопроса, почему они не существуют. Похоже, проблема в том, что мы пытаемся рассуждать логически по поводу вопроса, не поддающегося логическому анализу: что должно или не должно вызывать в нас ощущение чуда.

Принцип плодовитости дает еще один способ подтвердить полезность антропного принципа для объяснения, почему окончательные законы нашей Вселенной таковы, каковы они есть. Может существовать множество допустимых вселенных, законы природы в которых или история эволюции неблагоприятны для возникновения разумной жизни, однако любой ученый, спрашивающий о том, почему мир устроен так, а не иначе, обязательно должен жить в одной из других вселенных, где разумная жизнь могла возникнуть. С этой точки зрения, можно сразу отвергнуть вселенную, управляемую ньютоновской физикой (помимо всего прочего, в ней не было бы стабильных атомов), или вселенную, в которой нет ничего.

Есть и экстремальная возможность, что существует только одна логически изолированная теория, не содержащая неопределенных констант и совместимая с существованием разумных существ, способных размышлять над окончательной теорией. Если это удастся показать, то мы окажемся так близко, насколько это возможно, к удовлетворительному объяснению того, почему мир таков, каков он есть.

Каковы будут последствия открытия подобной окончательной теории? Конечно, полный ответ можно будет дать только после того, когда мы эту теорию узнаем. Может быть, то, что мы узнаем об устройстве мира, будет для нас столь же удивительным, как законы ньютоновской механики были бы удивительны для Фалеса. Но можно быть твердо уверенным в одном: открытие окончательной теории не станет концом научных исследований. Даже если не касаться проблем, которые необходимо будет исследовать в связи с техникой или медициной, останется множество проблем чистой науки, над которыми ученые будут биться, так как у этих задач должны быть красивые решения. Уже сейчас в физике есть явления вроде турбулентности или высокотемпературной сверхпроводимости, ожидающие глубокого и красивого объяснения. Никто не знает толком, как образовались галактики, как был запущен генетический механизм, или как знания хранятся в мозгу человека. Ни на одну из этих проблем открытие окончательной теории не окажет никакого влияния.

С другой стороны, открытие окончательной теории может иметь последствия, выходящие далеко за рамки науки. Умы многих людей заражены сегодня различными иррациональными предубеждениями, от сравнительно безобидной астрологии до сатанинских идеологий крайне опасного толка. То, что до сих пор мы не знаем окончательных законов природы, позволяет всем этим людям надеяться, что когда-нибудь их любимые предрассудки найдут подобающее место в структуре науки. Было бы глупо надеяться, что любое открытие в науке может само по себе излечить человечество от всех его предрассудков, но все же открытие окончательной теории, по крайней мере, оставило бы меньше места для иррациональных верований.

Открытие окончательной теории может принести разочарование, так как природа станет более обычной, в ней останется меньше чудес и тайн. Нечто подобное уже случалось и ранее. На протяжении почти всей человеческой истории карты Земли указывали неизведанные пространства, так что воображение людей могло заполнять их драконами, золотыми городами и антропофагами. Поиск знаний во многом был уделом географических открытий. Когда тенниссоновский Улисс решил «последовать за знанием как звезда на небе, и погрузиться в самые глубины человеческих мыслей», он отправился через неизведанную Атлантику «в сторону заката, к месту купания всех западных звезд». Но в наши дни каждый гектар поверхности Земли нанесен на карты, и все драконы куда-то улетели. С открытием окончательных законов испарятся наши мечты. Останется бесконечное количество научных задач, перед учеными раскроется для исследования вся Вселенная, но подозреваю, что ученые будущего будут немного завидовать физикам наших дней, так как мы все еще идем по дороге, ведущей к открытию окончательных законов.