Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы - Стивен Вайнберг

Великий пример Ньютона породил, особенно в Англии, характерный стиль научного объяснения: вещество полагалось состоящим из крошечных неделимых частиц; частицы действуют друг на друга с «различными силами», одной из разновидностей которых является сила тяготения; зная положения и скорости этих частиц в любой момент времени, и зная, как вычислить силы, действующие между ними, можно воспользоваться законами движения, чтобы предсказать, где они окажутся в любой последующий момент. До сих пор новичкам часто преподают физику в таком духе. К сожалению, несмотря на все успехи ньютоновского стиля рассуждений, это был тупиковый путь.

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[5], что «видный физик», которого имел в виду Майкельсон, был влиятельный шотландец Уильям Томсон, лорд Кельвин. Один приятель[6] 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[7] 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 четырьмя 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 ХХ 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»[8]. 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 вырисовываться 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»[9].

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.4) эйнштейновскую теорию тяготения) с квантовой механикой. Если это так, то нам известна уже значительная часть окончательной теории.