Стивен Вайнберг - Объясняя мир. Истоки современной науки

• Название: Объясняя мир. Истоки современной науки
• Автор: Стивен Вайнберг
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-9614-4084-3

Книга одного из самых известных ученых современности, нобелевского лауреата по физике, доктора философии Стивена Вайнберга – захватывающая и энциклопедически полная история науки. Это фундаментальный труд о том, как рождались и развивались современные научные знания, двигаясь от простого коллекционирования фактов к точным методам познания окружающего мира. Один из самых известных мыслителей сегодняшнего дня проведет нас по интереснейшему пути – от древних греков до нашей эры, через развитие науки в арабском и европейском мире в Средние века, к научной революции XVI–XVII веков и далее к Ньютону, Эйнштейну, стандартной модели, гравитации и теории струн. Эта книга для всех, кому интересна история, современное состояние науки и те пути, по которым она будет развиваться в будущем.

---

Модель Евдокса не полностью согласуется с наблюдениями Солнца, Луны и планет. Например, его описание движения Солнца не соответствует разной длине времен года, которая, как мы уже видели в главе 6, была определена Евктемоном с помощью гномона. Модель Евдокса допускает серьезные ошибки в объяснении движения Меркурия и слабо соответствует реальному движению Венеры и Марса. Улучшенную модель предложил Каллипп из Кизика. Он добавил еще по две сферы для Солнца и Луны и по одной для Меркурия, Венеры и Марса. Модель Каллиппа лучше описывает движение небесных тел, хотя, согласно ей, в видимом движении планет должны быть некоторые особенности, которых на самом деле нет.

В концентрических моделях Евдокса и Каллиппа Солнце, Луна и планеты были снабжены отдельным комплектом сфер, в котором все внешние сферы вращаются в полном согласии с отдельной сферой, на которой находятся неподвижные звезды. Это один из первых примеров того, что современные физики называют «подгонка теории». Мы называем теорию «подогнанной», когда она приводит гипотезы и данные наблюдений в соответствие друг с другом без всякого понимания, почему они должны быть отождествлены. Появление «подгонки» в научной теории – это словно ответ на вопль природы, требующей внятного объяснения явлений.

Неприятие современными физиками подгонки привело к открытию фундаментальной важности. В конце 1950-х гг. было обнаружено, что у двух типов нестабильных частиц, которым дали название «тау-мезоны» и «тета-мезоны», распад происходит разными путями: тета-мезоны распадались на два пиона (более легкие частицы), а тау-мезоны – на три. Тау– и тета-мезоны имели не только одинаковую массу, но и примерно одинаковое время существования и, несмотря на это, распадались совершенно по-разному! Физики предположили, что тау-мезоны и тета-мезоны не могут быть одной и той же частицей из-за природной симметрии между правым и левым (которая говорит о том, что законы природы должны работать одинаково и для нашего мира, и для мира, отраженного в зеркале). Эта симметрия не позволяла одной и той же частице распадаться то на два пиона, то на три.

Используя имевшиеся у нас тогда знания, стало возможным подогнать константы в теориях, чтобы сделать массу и время жизни тау-мезонов и тета-мезонов одинаковыми, но такую теорию трудно было принять за истину, ведь она была бы безнадежно подогнана. В конце концов выяснилось, что подгонка совершенно не нужна: тета– и тау-мезоны все же оказались одной частицей. Симметрия между правым и левым, хотя и подчиняет себе силы, удерживающие вместе атомы и их ядра, вовсе не распространяется на некоторые процессы распада, в том числе и на распад так называемых тау– и тета-мезонов{110}.

Физики, решившие эту задачу, совершенно правильно не поверили идее о том, что тау-мезоны и тета-мезоны случайно имеют одну и ту же массу и время жизни. В этой гипотезе слишком многое было подогнано.

Не так давно мы столкнулись с еще более тревожным вариантом подгонки. В 1998 г. астрономы выяснили, что расширение Вселенной не замедляется, как этого можно было ожидать благодаря взаимному гравитационному притяжению галактик, но, напротив, ускоряется. Причиной этого ускорения считается энергия самого космоса, так называемая «темная энергия». Теории говорят о разных возможных источниках этой энергии. Некоторые из них мы можем оценить, другие – нет. Вклад тех источников, которые мы можем оценить, оказывается больше, чем весь объем темной энергии, который был зафиксирован астрономами, примерно на 56 порядков величины – то есть это единица с 56 нулями. Это не парадокс, поскольку мы можем положить, что эти источники компенсируются действием контристочников, которые мы рассчитать не можем. Но тогда их совокупная интенсивность должна быть равной наблюдаемым источникам с точностью до 56-й значащей цифры. Такой уровень подгонки неприемлем, и теоретики должны потрудиться, чтобы объяснить как-то иначе, почему количество темной энергии намного меньше, чем оно должно быть по расчетам. (Одно возможное объяснение упоминается в главе 11.)

В то же самое время нужно признать, что некоторые явные примеры кажущейся подгонки являются совершенно случайными. Например, расстояния от Земли до Луны и Солнца пропорциональны их диаметрам, поэтому с Земли диски Солнца и Луны кажутся примерно одинакового размера. Это доказывается тем, что во время полного солнечного затмения лунный диск точно закрывает солнечный. Нет никакой причины искать в этом факте что-то, кроме простого совпадения.

Аристотель попытался придать моделям Евдокса и Каллиппа бо́льшую реалистичность. В «Метафизике»{111} он предложил соединить все сферы в единую взаимосвязанную систему. Вместо того чтобы выделить самой удаленной планете – Сатурну четыре сферы, как Евдокс и Каллипп, Аристотель оставил только три внутренние сферы; суточное движение Сатурна с востока на запад объяснялось привязкой этих трех сфер к сфере неподвижных звезд. Также Аристотель добавил три дополнительные сферы, вращающиеся в противоположном направлении, внутрь трех сфер Сатурна. Это было нужно для того, чтобы свести к нулю влияние движения трех сфер Сатурна на следующую планету, Юпитер, внешняя сфера которой крепилась к самой удаленной из этих трех дополнительных сфер между Юпитером и Сатурном.

После добавления трех дополнительных сфер, вращающихся в противоположном направлении, и привязки внешней сферы Сатурна к сфере неподвижных звезд у Аристотеля получилась достаточно изящная картина. Больше не нужно было задаваться вопросом, почему Сатурн каждый день двигается по небосклону точно так же, как звезды, – Сатурн физически привязан к их сфере. Но потом Аристотель сам все испортил: он оставил Юпитеру четыре сферы, точно так же как Евдокс и Каллипп. Проблема в том, что после этого Юпитер должен был совершать суточное вращение вместе с Сатурном и одновременно вместе с наиболее удаленной своей сферой, таким образом он оборачивался бы вокруг Земли два раза в сутки. Не мог ли Аристотель забыть, что три дополнительные сферы, вращающиеся в противоположном направлении, компенсируют лишь особые перемещения Сатурна, но не его суточное обращение вокруг Земли?

Хуже того, Аристотель добавил только три сферы (которые должны были компенсировать особые перемещения Юпитера), вращающиеся в противоположном направлении, внутрь его четырех сфер, и затем придал Марсу, следующей планете, целых пять сфер, которые придумал Каллипп. Следовательно, Марс за сутки совершал бы три оборота вокруг Земли. Далее в том же духе, по схеме Аристотеля, Венера, Меркурий, Солнце и Луна должны были оборачиваться вокруг Земли, соответственно, четыре, пять, шесть и семь раз за сутки.

Эта очевидная ошибка поразила меня, когда я читал «Метафизику» Аристотеля. Позже я узнал, что ее отметили еще несколько авторов, в том числе Дж. Дрейер, Томас Хит и В. Росс{112}. Некоторые из них объясняли эту ошибку тем, что текст в этом месте был искажен. Но если Аристотель в самом деле поместил описание этой схемы в известную нам стандартную версию «Метафизики», тогда это нельзя объяснить тем, что он мыслил в категориях, отличных от привычных нам. Мы вынуждены признать, что Аристотель оказался невнимателен, работая над задачами, которые были ему интересны.

Даже если бы Аристотель разместил вращающиеся в противоположном направлении сферы в правильном порядке и каждая планета оборачивалась бы вокруг Земли вместе со звездами только один раз за сутки, в его схеме все равно оставалось бы слишком много подгонки. Вращающиеся в противоположном направлении сферы, вставленные внутрь сфер Сатурна, чтобы компенсировать влияние его особых перемещений на движение Юпитера, должны были вращаться в точности с той же скоростью, что и три сферы Юпитера. То же самое справедливо и для планет, находящихся ближе к Земле. И точно так же, как у Евдокса и Каллиппа, в схеме Аристотеля вторые сферы Меркурия и Венеры должны были вращаться в точности с той же скоростью, что и вторая сфера Солнца, чтобы объяснить тот факт, что Солнце, Меркурий и Венера движутся по зодиаку вместе; таким образом внутренние планеты на небе видны недалеко от Солнца. Например, Венера – это всегда утренняя или вечерняя звезда, она никогда не видна высоко на небе в полночь.

По крайней мере один из древних астрономов серьезно подошел к проблеме подгонки теории к фактам. Это был Гераклид Понтийский. Гераклид учился в Академии Платона в V в. до н. э. и, возможно, руководил ею, когда Платон уезжал на Сицилию. И Симпликий{113}, и Аэций утверждали, что Гераклид учил, что Земля вращается вокруг своей оси{114}, что вполне объясняет наблюдаемое суточное вращение звезд, планет, Солнца и Луны вокруг Земли. Эта идея Гераклида иногда упоминалась разными авторами в поздней античности и в Средние века, но она не стала популярной до времен Коперника, предположительно потому, что мы не ощущаем вращения Земли. Нет никаких данных в пользу того, что Аристарх, живший через сто лет после Гераклида, действительно подозревал, что Земля не только обращается вокруг Солнца, но и вращается вокруг своей оси.