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

Гейзенберг отмечал, что сам Эйнштейн пересмотрел свое отношение к позитивизму, ощутимому в начальной формулировке теории относительности. В прочитанной в 1974 г. лекции Гейзенберг вспоминает беседу с Эйнштейном в Берлине в начале 1926 г.:

«Я заметил Эйнштейну, что мы на самом деле не можем наблюдать такую траекторию [электрона в атоме]; реально мы наблюдаем лишь частоты света, испущенного атомом, интенсивности и вероятности переходов, а не сами траектории. Поскольку кажется рациональным вводить в теорию только такие величины, которые могут быть непосредственно обнаружены, понятие траекторий электрона не должно фигурировать в теории. К моему изумлению, этот аргумент совершенно не убедил Эйнштейна. Он полагал, что всякая теория содержит на самом деле ненаблюдаемые величины. Принцип использования только наблюдаемых величин просто невозможно непротиворечиво соблюсти. И когда я возразил на это, что я просто использую ту же философию, что и он при формулировке основ специальной теории относительности, Эйнштейн ответил на это: “Может быть, раньше я и пользовался этой философией, и даже писал так, но все равно это глупость”»[139].

Еще раньше, в парижской лекции 1922 г., Эйнштейн отозвался о Махе как о «хорошем механике», но «жалком философе»[140].

Несмотря на победу атомизма и отречение Эйнштейна тема позитивизма время от времени всплывает в физике ХХ в. Позитивистская сосредоточенность на наблюдаемых, типа координат и импульсов частиц, стояла на пути «реалистической» интерпретации квантовой механики, в которой волновая функция представляет физическую реальность. Позитивизм также внес лепту в запутывание проблемы бесконечностей. Как мы видели, Оппенгеймер в 1930 г. заметил, что теория фотонов и электронов, известная как квантовая электродинамика, приводит к абсурдному результату, что испускание или поглощение фотонов электронами в атоме придает ему бесконечную энергию. Проблема бесконечностей беспокоила теоретиков в 30-е и 40-е гг., и в результате было высказано общее предположение, что квантовая электродинамика просто становится неприменимой для электронов и фотонов очень больших энергий. Значительная доля этого страха перед квантовой электродинамикой была связана с позитивистским ощущением вины: некоторые теоретики боялись, что говоря о значениях электрического и магнитного полей в той точке пространства, где находится электрон, они совершают грех, вводя в физику принципиально ненаблюдаемые элементы. Это было верно, но только тормозило открытие реального решения проблемы бесконечностей, заключающееся в том, что они сокращаются, если позаботиться об аккуратном определении массы и заряда электрона.

Позитивизм сыграл также ключевую роль в борьбе против квантовой теории поля, которую вел в 1960 г. в Беркли Джеффри Чу. Для Чу главным объектом в физике была S-матрица, таблица, в клетках которой стоят вероятности всех возможных результатов для всех возможных процессов соударения частиц. S-матрица содержит в себе все, что можно реально наблюдать, изучая реакции с любым числом частиц. Теория S-матрицы восходит к работам Гейзенберга и Джона Уилера в 30-х и 40-х гг. (S происходит от первой буквы немецкого слова Streuung, т.е. рассеяние), но Чу и его сотрудники использовали новые идеи относительно того, как вычислять S-матрицу без введения каких бы то ни было ненаблюдаемых элементов вроде квантовых полей. В конце концов эта программа провалилась[141], отчасти потому, что просто оказалось слишком сложно вычислять S-матрицу таким способом. Но прежде всего провал был обусловлен тем, что путь прогресса в понимании слабых и сильных ядерных сил оказался связанным с теми самыми квантовыми теориями полей, которые Чу пытался отвергнуть.

Однако самое драматическое отрицание принципов позитивизма связано с развитием современной теории кварков. В начале 60-х гг. Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо попытались упростить невероятно сложный зоопарк частиц, известных к тому времени. Они предположили, что почти все эти частицы состоят из нескольких простых (и еще более элементарных) частиц, которые Гелл-Манн назвал кварками. Поначалу эта идея казалась совершенно не выходящей за рамки обычного для физиков способа мышления – в конце концов, это был еще один шаг по пути, указанном еще Левкиппом и Демокритом и заключающемся в том, чтобы объяснять сложные структуры с помощью более простых меньших по размеру составляющих. Картина кварков была применена в 60-е гг. к огромному количеству физических задач, связанных с протонами, нейтронами, мезонами и другими частицами, предположительно состоящими из кварков, и во всех случаях привела к хорошим результатам. Однако все попытки экспериментаторов в 60-е и начале 70-х гг. вытащить кварки из тех частиц, в которых они предположительно содержатся, полностью провалились. Это выглядело ненормально. Еще с тех пор, как Томсон вырвал электроны из атомов в катодно-лучевой трубке, всегда удавалось разбить любую составную систему вроде молекулы, атома или ядра на отдельные частицы, из которых она состоит. Почему же было невозможно выделить свободные кварки?

Картина кварков обрела смысл с развитием в начале 70-х гг. квантовой хромодинамики, современной теории сильных ядерных сил, в рамках которой запрещен любой процесс, в котором может быть выделен свободный кварк. Прорыв произошел в 1973 г., после того, как независимые вычисления Дэвида Гросса и Фрэнка Вильчека из Принстона и Дэвида Политцера из Гарварда показали, что квантовые теории определенного типа[142] обладают удивительным свойством «асимптотической свободы»: все силы, действующие между частицами, уменьшаются с ростом энергии[143]. Как раз такое уменьшение сил и наблюдалось еще в 1967 г. в опытах по рассеянию частиц при высоких энергиях[144], но в 1973 г. впервые было показано, что могут существовать теории, в которых силы ведут себя подобным образом. Этот успех быстро привел к тому, что одна из таких квантовых теорий поля – теория кварков и глюонов, получившая название квантовой хромодинамики, была признана правильной теорией сильных взаимодействий.

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.