Как поиски красоты мироустройства заводят ученых в тупик
Вроде бы физика — точная наука, но на деле физики-теоретики (в том числе лучшие из них) стремятся выстраивать не столько точные, сколько эстетически выверенные объяснения устройства Вселенной. Однако красота — проводник ненадежный, она уже много раз сбивала ученых с пути.
О том, насколько велик масштаб этой проблемы для современной науки, рассказывает физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер. Ее книга «Уродливая Вселенная: как поиски красоты заводят физиков в тупик» выходит в издательстве «Бомбора». Канал «Наука» публикует отрывок.
Триумфы прошлого века все еще свежи в памяти ученых, сегодня приближающихся к выходу на пенсию, и их упор на красоту существенно повлиял на следующее поколение — мое поколение, неуспешное. Мы работаем с уже формализованными эстетическими идеалами прошлого — симметрией, объединением и естественностью.
Кажется вполне разумным опираться на опыт прошлых лет и пробовать то, что работало прежде. И вправду, мы были бы глупцами, если бы не следовали советам наших предшественников. Но мы также были бы глупцами, если бы зацикливались на этих советах. И я настороженна и становлюсь все настороженней с каждым нулевым результатом. Красота — проводник ненадежный, она уже много раз сбивала физиков с пути.
«То, что эти взаимосвязи демонстрируют, во всей своей математической абстракции, невероятную степень простоты, — есть дар, который нам остается только смиренно принять. Даже Платон не в силах был поверить, что они настолько прекрасны. Так как эти взаимосвязи не могут быть выдуманы, они существовали с момента сотворения мира».
В 1958 году Гейзенберг написал эти строки в письме своей сестре Эдит. Прекрасные взаимосвязи, о которых он здесь говорит, как ни странно, не имеют отношения к его теории — квантовой механике. Нет, в тот период своей жизни он пытался — и не преуспел — разработать единую теорию, теперь это не более чем ремарка в книгах по истории физики.
А когда мы изучаем идеи Гейзенберга, оказавшиеся удачными, то обнаруживаем, что его научные работы отнюдь не производили впечатления чуда красоты. Его современник Эрвин Шрёдингер высказал замечание: «Конечно, я знал о его теории, однако меня отпугивали, если не сказать отталкивали, казавшиеся мне очень трудными методы трансцендентной алгебры и отсутствие наглядности».
Не то чтобы Гейзенберг любезнее отзывался об идеях Шрёдингера. Вольфгангу Паули он писал: «Чем больше я размышляю о физической стороне теории Шрёдингера, тем более отталкивающей она мне кажется. То, что Шрёдингер пишет о наглядности своей теории... чушь». В итоге оба подхода — Гейзенберга и Шрёдингера — стали частью одной теории.
Красота дала сбой не только при создании квантовой механики. Платоновы тела, с помощью которых Кеплер вычислял орбиты планет, о чем мы говорили выше, — вероятно, самый известный пример конфликта между эстетическими идеалами и фактами. Более свежий случай, относящийся к первой половине XX века, — стационарная модель Вселенной.
В 1927 году Жорж Леметр нашел решение уравнений общей теории относительности, которое натолкнуло его на предположение, что наполненная веществом вселенная вроде нашей расширяется. Он заключил, что Вселенная должна была иметь начало — «большой взрыв». Когда Эйнштейн впервые ознакомился с этим решением, он сообщил Леметру, что нашел идею «отвратительной»35. И, напротив, ввел в свои уравнения дополнительный член — космологическую постоянную, — чтобы вогнать Вселенную в статичное состояние.
Однако в 1930 году Артур Эддингтон, сыгравший важную роль в организации первой экспериментальной проверки общей теории относительности, показал, что решение Эйнштейна с космологической постоянной нестабильно: малейшее изменение в распределении вещества заставило бы Вселенную коллапсировать или расширяться. Эта нестабильность, вместе с наблюдениями Эдвина Хаббла, подтверждавшими идею Леметра, привела к тому, что в 1931 году Эйнштейн тоже признал расширение Вселенной.
С тех пор в течение многих десятилетий космология продолжала испытывать нехватку данных и оставалась площадкой для философских и эстетических дебатов. Артур Эддингтон особенно держался за статическую вселенную Эйнштейна, поскольку верил, что космологическая постоянная олицетворяет новую силу природы. Он отверг идею Леметра на следующем основании: «...Мысль о том, что у Вселенной есть начало, мне противна».
В свои последние годы Эддингтон разрабатывал «фундаментальную теорию», которая должна была объединить статическую космологию с квантовой теорией. В этой попытке он уплыл в какой-то свой космос: «В науке у нас иногда имеются убеждения о правильном решении проблемы, которые мы ценим, но не можем обосновать. Мы находимся под влиянием какого-то врожденного чувства надлежащего порядка вещей». Из-за растущих противоречий с данными фундаментальную теорию Эддингтона после его смерти в 1944 году дальше не развивали.
Тем не менее идея о неизменяющейся Вселенной оставалась популярной. Чтобы привести ее в соответствие с наблюдаемым расширением, Герман Бонди, Томас Голд и Фред Хойл в 1948 году предположили, что между галактиками непрерывно образуется вещество. В таком случае мы жили бы в вечно расширяющейся Вселенной, но не имеющей ни начала, ни конца.
Соображения Фреда Хойла в особенности зиждились на эстетических основаниях. Он высмеял Леметра, назвав того «человек — большой взрыв» и признав, что имеет «эстетические предубеждения против Большого взрыва». В 1992 году, когда американец Джордж Смут объявил об измерении температурных флуктуаций космического реликтового излучения, что противоречило идее стационарного состояния, Хойл (он умер в 2001 году) отказался признать это. Он переработал свою модель в «космологию квазистационарного состояния», чтобы учесть полученные данные.
Вот как он объяснил успешность идеи Леметра: «Причина, по которой ученым нравится Большой взрыв, заключается в том, что их разум затмила Книга Бытия»
Эстетические идеалы также вызвали, пожалуй, самый странный эпизод в истории физики — популярность «вихревой теории», пытавшейся объяснить разнообразие атомов узлами различных типов. Теория узлов — интересная область математики, которая сегодня действительно имеет применения в физике, но никак не связанные со структурой атома. Как бы то ни было, вихревая теория в период своего расцвета насчитывала около двадцати пяти сторонников, в основном из Великобритании, но также и из США, и эти ученые написали несколько десятков статей с 1870 по 1890 год. По тем временам — довольно многочисленное и продуктивное сообщество.
Приверженцы вихревой теории атома были убеждены в ее красоте, несмотря на полное отсутствие доказательств. В 1883 году в коротком обзоре для журнала Nature Оливер Лодж назвал вихревую теорию «прекрасной», такой, «которая, можно смело сказать, заслуживает того, чтобы быть верной». Альберт Майкельсон (впоследствии получивший Нобелевскую премию) написал в 1903 году, что вихревая теория «заслуживает быть истиной, если... [она] не есть истина в действительности». Еще одним поклонником был Джеймс Клерк Максвелл, рассуждавший так: «Но высшее, с философской точки зрения, достоинство этой теории состоит в том, что ее успех в объяснении явлений не зависит от искусства, с каким ее авторы будто бы «спасают внешние приличия», вводя то одну гипотетическую силу, то другую. Раз вихревой атом пришел в движение, все его свойства абсолютно устанавливаются и определяются законами движения основной жидкости, которые вполне выражаются основными уравнениями. Трудности этого метода неимоверны, зато слава победы над ними — в своем роде единственная».
Независимо от того, чего она заслуживала, вихревая теория изжила себя с исследованием строения атома и появлением квантовой механики.
Но история науки богата не только красивыми идеями, оказавшимися ошибочными, бывало ведь и так, что неприглядные теории оказывались верными.
Максвеллу, например, самому не нравилась электродинамика в том виде, в каком он ее сформулировал, потому что он не мог придумать, какой могла бы быть лежащая в ее основе механистическая модель. В то время эталоном красоты служила вселенная с механическим заводом, но в теории Максвелла электромагнитные поля просто есть — они не сделаны из чего-то еще, никаких шестеренок и пазов, никаких жидкостей и клапанов. Максвелл был недоволен собственной теорией, поскольку думал, что, только «когда физическое явление может быть полностью описано как изменение конфигурации и движения материальной системы, говорят, что мы имеем полное динамическое объяснение явления». Много лет Максвелл пытался дать объяснение электрическим и магнитным полям, которое согласовывалось бы с механистической картиной мира. Увы, тщетно.
Механизмы были повальным увлечением в то время. Уильям Томсон (позднее лорд Кельвин) считал, что, только когда у физиков есть механистическая модель, они действительно вправе утверждать, что понимают определенное явление.
Людвиг Больцман, по словам его ученика Пауля Эренфеста, «определенно получал большое эстетическое удовольствие, позволяя своему воображению играть с клубком взаимосвязанных движений, сил, противодействий, пока не достигал состояния, когда их смысл можно было ухватить»
Следующие поколения физиков просто заметили, что подобные подспудные механистические толкования излишни, и стали привыкать работать с полями.
Полвека спустя квантовая электродинамика — квантованная версия электродинамики Максвелла — также страдала от кажущегося недостатка эстетической привлекательности. Теория породила бесконечности, которые надлежало убрать искусственными методами, введенными исключительно для того, чтобы дать осмысленные результаты. Это был прагматичный подход, Дираку совсем не нравившийся: «Недавняя работа Лэмба, Швингера, Фейнмана и других была очень успешной... Однако окончательная теория оказывается весьма некрасивой и неполной, так что ее нельзя рассматривать как решение проблемы электрона». Когда Дирака спросили, что он думает о недавних разработках квантовой электродинамики, он ответил: «Я считал бы, что новые идеи верны, не будь они так безобразны».
В последующие десятилетия для работы с бесконечностями были найдены способы получше. Квантовая электродинамика оказалась хорошей теорией, в рамках которой от бесконечных величин можно честно избавиться, введя два параметра, подлежащих экспериментальному определению: массу и заряд электрона. Эти методы так называемой перенормировки используются и поныне. И несмотря на неодобрение Дирака, квантовая электродинамика — все еще часть оснований физики.
Закруглим мой исторический экскурс: эстетические критерии работают до тех пор, пока не перестают работать. Возможно, самое убедительное доказательство того, что полагаться на прошлый опыт и руководствоваться чувством прекрасного неэффективно, состоит в следующем: ни один физик-теоретик не получал Нобелевскую премию дважды.
Триумф выдающихся физических открытий остался далеко в прошлом. За последние 30 лет физика, увы, не радует нас новыми гениальными научными теориями. Почему так происходит? Правда ли, что фундаментальная наука в упадке? Книга Сабины Хоссенфельдер «Уродливая Вселенная: как поиски красоты заводят физиков в тупик» исследует эту проблему и ищет ответ на вопрос: что должно лежать в основе современной физики? Издательство: «Бомбора»
Квантовая физика дает надежду на то, что судьбы нет
Теория струн простыми словами
Темная материя
