Геннадий Горелик - Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации

Это и имел в виду Дайсон, прекрасно понимая, на что поднимает руку. Свое мнение он высказал в рецензии на популярную книгу о теории струн и элегантной Вселенной. За последние десятилетия изданы сотни книг о квантовой гравитации, опубликованы многие тысячи статей тысяч авторов. Не слишком ли много для теории, которой нет? Так, похоже, думает Дайсон. Он издалека следит за странными струнными идеями молодых коллег и кажется им старым чудаком, отставшим от скорого поезда прогресса. Ему самому когда-то подобными чудаками казались Эйнштейн и Дирак.

Однако физик Дайсон поставил ясный вопрос, зажав гравитон между фотоном и эфиром. А о фотоне он знает больше других, как один из создателей квантовой электродинамики, которой подчиняется каждый фотон. Поскольку никто из физиков не ответил на его критический довод, предложу свой историко-научный взгляд.

В конце 1940-х годов, когда Дайсон пришел в науку, уже давней историей были жаркие споры вокруг «релятивистской теории квант», от которой ожидали революционную перестройку масштаба теории относительности и квантовой механики. Те споры завершились признанием возможности частичного успеха — в квантовой электродинамике. Успех пришел пятнадцать лет спустя, когда, при участии Дайсона, была построена эта на сегодняшний день самая точная из физических теорий. Поэтому и его критический взгляд на квантовую гравитацию, в свете наилучшей теории… света, заслуживает внимания.

Ответить на его критику помогает работа Бронштейна, первым осознавшего глубину проблемы. Естественной кажется аналогия между фотоном и гравитоном, и слова эти рифмуются, и закон Кулона похож на закон всемирного тяготения, однако квантовая электродинамика принципиально отличается от квантовой гравитации. Отличие это подрывает понятие «гравитон» как самостоятельное и равноправное с понятием «фотон». Коренится отличие в опытном факте, открытом Галилеем и ставшем первым фундаментальным законом современной науки, а три века спустя — основой теории гравитации. Речь идет о законе свободного падения, о равенстве инертной и гравитационной масс и о принципе эквивалентности.

Фотон, или «частица света», вполне определенным образом соответствует электромагнитной волне, которая точно следует из уравнений электродинамики. А гравитационная волна — лишь приближенное следствие уравнений гравитации. Поэтому гравитон — не столь же органическая часть еще не созданной теории квантовой гравитации, как фотон — часть квантовой электродинамики. Не всякая волна связана с каким-то квантом: волна на поверхностности моря не связана с «квантом волнения», который можно было бы назвать частицей «поверхон».

Главное, Дайсон не объяснил, что делать с двумя принципиальными физическими явлениями — с началом космологического расширения и с завершением коллапса звезды. Какой теории, если не квантовой гравитации, эти явления можно поручить? Необходимость такой теории наступает за cGh ‑рубежом, как впервые обнаружил Бронштейн, хоть масштаб cGh -границ, очень далекий от возможностей нынешних экспериментов, действительно ставит проблему.

Поэтому есть за что поблагодарить Дайсона. Его отважное сомнение подчеркивает исключительность проблемы квантовой гравитации в истории физики и нынешнее ее кризисное положение.

Теоретик же, который, не отвлекаясь на кризисы, готовит очередной текст для публикации, напоминает ученого соседа, к которому пришел за советом сосед неученый. У неученого дохнут куры, и он просит ученую рекомендацию. И получает: сыпать куриный корм в нарисованный на полу зеленый квадрат. Куры, увы, продолжают дохнуть. Тогда ученый предлагает красный круг. И так далее, пока все куры не передохли. «Как жаль! — восклицает ученый сосед. — У меня еще столько вариантов!»

Куры в данном случае — это эйнштейновское «внешнее оправдание», которого в квантовой гравитации катастрофически не хватает. Неужели — впервые в истории физики — к успеху приведет путь «чисто внутреннего совершенства»?

История помогает видеть нынешние проблемы науки лишь в том случае, если суть науки не изменилась. Эйнштейн признал в Галилее коллегу, потому что узнал в его физике свою науку. А как насчет нынешней фундаментальной физики? Ситуацию здесь называют кризисом, имея в виду разные проявления, но витает и общий вопрос: заканчивается ли четырехвековая история современной физики, и если да, что идет на смену?

«Да», сказали физики-теоретики Гарвардского университета, добавив к названию своего семинара эпитет «постсовременный». Постсовременные теоретики отменили ключевую роль эксперимента, полагая, что истинный вариант теории докажет свою достоверность собственным внутренним совершенством, которое и гарантирует охват реальности. Ищут этот вариант, перебирая разные математические возможности, и чем больше переборщиков, тем больше, стало быть, шансов на успех?

Издано уже более четырехсот книг, где обсуждается квантовая гравитация. Около двухсот содержат в названии слова «квантовая гравитация». Соответственно, статей на эту тему — многие тысячи. И все это без результатов, экспериментально подтвержденных или опровергнутых. В несоответствии усилий и результатов проявляется кризис нынешней фундаментальной физики.

Красноречивые теоретики нередко говорят, что из возможных направлений поиска наиболее перспективным они считают такое-то. Историк науки при этом вспоминает ситуацию до 1905 года, когда рассматривали разные теории эфира, кроме той, в которой само понятие эфира сдавалось в архив. Аналогично до 1915 года наиболее перспективным направлением в гравитации большинство теоретиков, за исключением одного, считали вовсе не эйнштейновское. И вообще, до сих пор в фундаментальной физике правым оказывалось меньшинство, обычно один человек. А правоту определяли опыты.

История фундаментальной физики развивалась весьма неравномерно. Ньютоновский этап длился около двух веков, максвелловский — три десятилетия, а первая треть двадцатого века вместила в себя перемены, сопоставимые по масштабу лишь с началом современной физики: кванты, относительность и много чего еще. При этом число фундаментальных физиков измерялось десятками. Результаты последних десятилетий совершенно несопоставимы с тем временем, а теоретиков, занятых фундаментальной физикой, сейчас в сотни раз больше.

Если причина столь понизившейся эффективности — только неравномерность истории, то об этом историки узнают в свое время. Если же это — следствие кризиса науки, то в чем могут быть его причины?

Начнем с самой простой причины — с денег, тем более что ее недавно подчеркнул американский теоретик, нобелевский лауреат С. Вайнберг в статье «Кризис Большой науки». Он обвинил Конгресс США в отказе финансировать большие — дорогие — экспериментальные установки, начиная с гигантского ускорителя элементарных частиц «Суперколлайдера» в 1992 году. Затем закрыли несколько проектов космических телескопов. Речь идет о приборах для фундаментальной физики стоимостью в миллиарды долларов. Вайнберг упрекает членов Конгресса в том, что те заботятся лишь об интересах своих избирателей и не понимают важность открытия фундаментальных законов природы. В целом знаменитый теоретик смотрит в будущее с пессимизмом.