Стивен Вайнберг - Мечты об окончательной теории

• Название: Мечты об окончательной теории
• Автор: Стивен Вайнберг
• Издательство: Едиториал УРСС
• Жанр: Математика
• Год: 2004
• ISBN: 5-354-00526-4

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.

---

Первоначально считалось, что в процессах соударения элементарных частиц нельзя наблюдать глюоны, так как они очень тяжелые, и попросту не хватает энергии для рождения частиц столь большой массы. Вскоре после открытия явления асимптотической свободы некоторые теоретики предположили[145], что глюоны наоборот вообще не имеют массы, как фотоны. Если это так, то факт ненаблюдения глюонов и кварков в свободном состоянии можно объяснить тем, что обмен безмассовыми глюонами между кварками и самими глюонами порождает дальнодействующие силы, не позволяющие в принципе оторвать кварки или глюоны друг от друга. Сейчас принято считать[146], что если вы попытаетесь разбить на составные части, например, мезон (частицу, состоящую из кварка и антикварка), то требующаяся для этого сила возрастает при удалении кварка и антикварка все дальше друг от друга, до тех пор пока в конце концов вам не потребуется затрачивать на это разъединение такое количество энергии, которого будет достаточно для рождения новой кварк-антикварковой пары. В результате родившийся из вакуума антикварк подсоединяется к первоначальному кварку, а кварк из вакуума – к антикварку, так что вместо свободных кварка и антикварка вы получаете две кварк-антикварковых пары, т.е. опять два мезона. Часто используется такой образ: разделение кварков напоминает попытку разделить два конца куска упругой струны. Вы тянете, тянете струну, так что в конце концов, когда прилагаемое вами усилие станет достаточным, струна рвется, но при этом вы все равно не получаете два изолированных конца струны, а получаете две струны поменьше с двумя концами у каждой. Гипотеза, что кварки и глюоны никогда нельзя в принципе наблюдать изолированно друг от друга, стала частью общепринятой системы взглядов в современной физике элементарных частиц[147], и тем не менее это нисколько не мешает нам описывать протоны, нейтроны и мезоны состоящими из кварков. Мне трудно представить что-либо, что вызвало бы большее отвращение у Эрнста Маха.

Теория кварков была лишь одной ступенью в непрерывном процессе переформулировки физической теории с помощью понятий, все более фундаментальных и, одновременно, все более далеких от повседневного опыта. Как же можно рассчитывать создать теорию, основанную только на наблюдаемых величинах, если ни одно из привычных нам понятий, возможно, что даже такие понятия, как пространство и время, не входят в число фундаментальных понятий наших теорий? Мне кажется совершенно невероятным, что позитивистский подход может быть полезным в будущем.

Метафизика и эпистемология по крайней мере старались играть конструктивную роль в науке. Не так давно наука подверглась атаке со стороны недружественных комментаторов, объединившихся под знаменем релятивизма. Философы-релятивисты отрицают стремление науки к открытию объективной истины[148]; они рассматривают ее всего лишь как еще одно социальное явление, не более фундаментальное, чем культ плодородия или шаманство.

Философский релятивизм частично уходит корнями в сделанное философами и историками науки открытие, что в процессе признания научных идей очень много субъективизма. Мы уже обсуждали ту роль, которую играют эстетические суждения в признании или отрицании новых физических теорий. Для ученых все это давно известно (хотя философы и историки науки пишут иногда так, как будто мы слышим об этом в первый раз). В знаменитой книге «Структура научных революций»[149] Томас Кун сделал следующий шаг и попытался доказать, что во время научных революций те понятия (или парадигмы), с помощью которых ученые оценивают теории, сами меняются, так что новые теории просто нельзя судить по дореволюционным стандартам. Многое в книге Куна полностью соответствует моему собственному опыту в науке. Но в последней главе Кун упорно атаковал ту точку зрения, что развитие науки приближает нас к объективной истине: «Мы можем, точнее говоря, должны отказаться от представления, явного или неявного, что изменения парадигмы приближают ученых и их последователей все ближе и ближе к истине». Позднее книга Куна, кажется, стала читаться (или, по крайней мере, цитироваться) как манифест общей атаки на предполагаемую объективность научного знания.

Кроме того, начиная с работы Роберта Мертона, в 30-е гг. усилилась тенденция со стороны антропологов и социологов рассматривать занятия наукой (или, по крайней мере, наукой, отличной от социологии и антропологии) теми же методами, которые используются для исследования других социальных явлений. Конечно, наука является социальным явлением, со своей системой ценностей, снобистскими замашками, интересными методами совместной деятельности и подчинения. Так, Шарон Тревик провела годы в обществе экспериментаторов, занимавшихся физикой элементарных частиц, в Стэнфордском ускорительном центре и лаборатории КЕК в Японии и описала то, что она видела, с точки зрения антрополога. Эта ветвь большой науки является естественным полем для изучения антропологами и социологами, так как ученые, с одной стороны, придерживаются древней традиции, поощряющей личную инициативу, и, с другой стороны, вынуждены при проведении современных экспериментов работать вместе в командах, насчитывающих сотни человек. Как теоретику мне не приходилось работать в подобных группах, но многие другие наблюдения Тревик, содержат, по-моему, много верного, например:

«Физики рассматривают себя членами элитарной группы, членство в которой определяется только личными научными заслугами. При этом предполагается, что все имели честный старт. Принадлежность к группе подчеркивается крайней непринужденностью в одежде, одинаковым видом кабинетов и обращением друг к другу по именам. Индивидуализм и соревнование считаются допустимыми и эффективными: иерархия в сообществе строится как меритократия29), производящая хорошую физику. Однако американские физики подчеркивают, что наука недемократична: решения, касающиеся целей научной деятельности, не должны приниматься большинством голосов сообщества и не должно быть равного доступа для всех к ресурсам лабораторий. Большинство японских физиков придерживаются по этим пунктам противоположного мнения…»[150]

Во время подобных исследований антропологи и социологи обнаружили, что даже процесс изменений в научной теории является общественным делом. В одном из недавних обзоров отмечалось, что «научные истины, по существу, являются широко цитируемыми общественными соглашениями относительно того, что представляет собой “действительность”, возникающими в результате “научного процесса” переговоров»[151]. Наблюдения за учеными в процессе работы позволили французскому философу Бруно Латуру и английскому социологу Стиву Булгару заметить, что «переговоры относительно того, что считать доказательством, или что является хорошим экспериментом, столь же беспорядочны, как и любой спор между судейскими или политиками».

Казалось бы, остается всего лишь один шаг от этих полезных исторических и социологических наблюдений до радикальной точки зрения, что конкретное содержание общепринятых научных теорий определяется общественной и исторической обстановкой, в которой данная теория развивалась. (Развитие именно такой точки зрения иногда называют программой-максимум социологии науки.) Эта атака на объективность научного знания проявилась даже в заголовке книги Эндрю Пикеринга «Создание кварков»[152]. В заключительной главе он приходит к выводу: «Если учесть огромную тренировку физиков, занимающихся элементарными частицами, в применении сложной математической техники, то преобладание математики в их описании реальности не сложнее объяснить, чем пристрастие народа к своему родному языку. Точка зрения, которая отстаивается в этой главе, заключается в том, что при развитии взглядов на окружающий нас мир никто не обязан принимать во внимание то, что говорит наука двадцатого века». Пикеринг детально описывает большие изменения в направлении развития экспериментальной физики высоких энергий, произошедшие в конце 60-х – начале 70-х гг. Вместо здравого подхода (термин Пикеринга), заключавшегося в том, чтобы сосредоточить усилия на самых заметных явлениях в столкновениях частиц высоких энергий (например, фрагментация частиц на большое число других частиц, летящих в основном в направлении первичного пучка), экспериментаторы начали проводить предложенные теоретиками опыты по поиску редких событий, например таких, когда какая-то частица большой энергии летит после соударения под большим углом к направлению первичного пучка.

Действительно, в физике высоких энергий в те годы произошла смена приоритетов, во многом правильно описанная Пикерингом, но она диктовалась исторической миссией физики. Протон состоит из трех кварков, окруженных облаком непрерывно возникающих и пропадающих глюонов и кварк-антикварковых пар. В большинстве соударений между протонами энергия начальных частиц уходит на общее перемешивание этих облаков, напоминающее результат столкновения двух грузовиков с мусором. Такие соударения крайне интересны, но они слишком сложны, так что современная теория кварков и глюонов не позволяет нам рассчитать их результаты. Таким образом, они неинтересны с точки зрения проверки этой теории. Однако изредка кварк или глюон в одном из протонов испытывает лобовое соударение с кварком или глюоном из другого, так что их энергии оказывается достаточно на то, чтобы выбить кварк или глюон большой энергии из области соударения. Вероятность этого процесса мы можем вычислить. В подобном соударении могут рождаться и новые частицы, например W и Z – переносчики слабых ядерных сил. Их изучение необходимо для лучшего понимания объединения слабых и электромагнитных взаимодействий. Именно для детектирования таких редких событий и планируются сегодня все эксперименты. И все же Пикеринг, который, насколько я могу судить, понимает теоретическое обоснование этих действий очень хорошо, продолжает описывать смену акцентов в физике высоких энергий просто как смену моды[153], вроде перехода от импрессионизма к кубизму или от коротких юбок к длинным.