Идеи с границы познания. Эйнштейн, Гёдель и философия науки - Джим Холт

падение науки и что теперь будет» (Smolin, L., The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next). Питер Уойт в книге «Даже не ошибка: провал теории струн и поиски объединения физических законов» (Woit, P., Not Even Wrong: The Failure of String Theory and the Continuing Challenge to Unify the Laws of Physic) предпочитает слово «катастрофа». И Смолин, и Уойт в пору, когда теория струн вошла в моду, то есть в начале восьмидесятых, были профессиональными физиками. Теперь они оба изгои – Смолин, в прошлом ярый сторонник теории струн (он написал на эту тему 18 статей), откололся от этой веры и участвовал в создании меньшевистской ячейки физиков в Канаде под названием «Институт Периметр», а Уойт ушел из теоретической физики в математику (он читает лекции на математическом факультете в Колумбийском университете), что позволяет ему смотреть на происходящее с междисциплинарной точки зрения.

Оба критика теории струн строят свои предварительные обвинения на смеси науки, философии, эстетики и, как ни странно, социологии. С их точки зрения физику захватила культура головорезов, которая поощряет технарей, работающих над официально одобренными задачами, и не приветствует мечтателей и пророков в духе Альберта Эйнштейна.

Уойт утверждает, что недостаток эмпирических подтверждений теории струн и концептуальной строгости мешает разработчикам теории струн отличать подлинный научный вклад от мошенничества. Смолин придает своим исковым заявлениям морально-этическую окраску – он связывает теорию струн с «вопиюще предвзятым» отношением к женщинам и чернокожим в физической профессии. Размышляя о культе пустой математической виртуозности, он задается вопросом: «Сколько ведущих физиков-теоретиков были когда-то неуверенными в себе маленькими прыщавыми мальчиками, способными поквитаться с красавчиками и спортсменами (которым доставались все девочки) в одном-единственном месте – в кабинете математики?»

Как странно, что подобные низменные мотивы могут затрагивать даже физику, столь чистую и объективную! Но в этой науке в целом настали странные времена. Впервые в истории теория догнала эксперимент. В отсутствие новых данных физикам приходится руководствоваться в поисках окончательной теории не надежными эмпирическими данными, а чем-то другим. И это что-то они зовут красотой. Между тем в физике, как и во всей остальной жизни, красота – штука опасная.

Золотой стандарт красоты в физике – общая теория относительности Альберта Эйнштейна. Что делает ее красивой? Во-первых, простота. Общая теория относительности в одном уравнении описывает силу гравитации как искривление геометрии пространства-времени в присутствии массы: масса говорит пространству-времени, как искривляться, пространство-время говорит массе, как двигаться. Во-вторых, ее неожиданность: кто бы мог себе представить, что целая теория родится из естественного предположения, что все системы отсчета равны и законы физики не должны меняться, если запрыгнешь на карусель? Ну и, наконец, ощущение незыблемости. Нельзя ничего изменить в логической структуре этой теории, не нарушив ее. Физик Стивен Вайнберг уподобил ее «Святому семейству» Рафаэля: каждая фигура на холсте нашла свое идеальное место, художник ничего не должен был сделать иначе.

Общая теория относительности Эйнштейна была одним из двух революционных нововведений начала XX века, знаменовавших начало новой эры в физике. Второй стала квантовая механика. Квантовая механика еще радикальнее отходила от привычной ньютоновой физики. В отличие от общей теории относительности, которая имела дело с четко определенными объектами, существующими в однородной, хотя и криволинейной, геометрии пространства-времени, квантовая механика описывала зыбкий, полный случайностей микромир, где все изменения происходят рывками, частицы ведут себя как волны (и наоборот) и над всем царствует неопределенность.

В первые десятилетия после этой двойной революции основные действия шли на квантовой стороне. Помимо гравитации, природой управляют три основные силы: электромагнетизм, сильное взаимодействие, удерживающее частицы в ядре атома, и слабое взаимодействие, вызывающее радиоактивный распад. В конце концов ученым удалось вписать все три силы в рамки квантовой механики, создав тем самым «стандартную модель» физики частиц. Стандартная модель – это зыбкая конструкция из палок и изоленты, она кое-как соединяет совсем не похожие виды взаимодействий, а ее уравнения содержат два десятка произвольных на первый взгляд констант – массы тех или иных частиц, соотношения тех или иных сил и так далее – которые пришлось измерять экспериментально и вводить в формулы «вручную». При всем при том стандартная модель оказалась, всем на радость, невероятно полезной – она предсказала результаты всех дальнейших экспериментов по физике частиц с поразительной точностью, зачастую до одиннадцатого знака после запятой. Как заметил однажды Фейнман, это все равно что вычислить расстояние от Лос-Анджелеса до Нью-Йорка с точностью до волоска.

Стандартная модель сложилась к середине семидесятых и с тех пор всерьез не пересматривалась. (Окончательное триумфальное подтверждение она получила в 2012 году, когда благодаря Большому адронному коллайдеру в ЦЕРНе, в Европейском центре экспериментальной физики, был открыт бозон Хиггса, последняя недостающая деталь.) Стандартная модель говорит нам, как ведет себя природа на масштабе молекул, атомов, электронов и еще меньше, до таких маленьких масштабов, где гравитация настолько слаба, что ею можно пренебречь. Общая теория относительности учит нас, как природа ведет себя на масштабах яблок, планет, галактик и еще больше – там, где квантовые неопределенности усредняются, и их можно не учитывать. Казалось бы, эти теории совместно покрывают все природные явления. Но большинству физиков такое разделение труда не нравится. Ведь в природе все взаимодействует со всем. А значит, должен существовать единый набор законов, который бы все описывал, а не два несовместимых набора. И что будет, если области применимости двух теорий перекроются – в случае, если очень массивное тело окажется очень маленьким? Например, сразу после Большого взрыва вся масса нынешней наблюдаемой Вселенной была упакована в размер ядра атома. На таком крошечном масштабе квантовая неопределенность разбивает гладкую геометрию общей теории относительности, и невозможно предсказать, как поведет себя гравитация. Чтобы понять, как родилась Вселенная, нам нужна теория, которая «объединит» общую теорию относительности и квантовую механику. Это мечта каждого физика-теоретика.

Теория струн родилась случайно. В конце шестидесятых пара юных физиков продиралась сквозь дебри учебников по математике и натолкнулась на многовековой давности формулу – бета-функцию Эйлера, которая чудесным образом соответствовала последним экспериментальным данным по физике элементарных частиц. Поначалу никто понятия не имел, как так получается. Однако прошло несколько лет, и выяснилось, в чем скрытое значение формулы: если представлять себе элементарные частицы как тоненькие вибрирующие струны, все обретает смысл. Из чего же тогда состоят эти струны? На самом деле из ничего. Как выразился один физик, их надо считать «крошечными одномерными разрывами в гладкой ткани пространства».

Новая теория расходилась с прежними представлениями не только в этом. Мы считаем, что