Лиза Рэндалл - Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

Интересные принципы, высшая математика и сложные численные модели — все это составные части физической науки. Большинство ученых ценит их все, но каждый из нас выбирает собственные приоритеты исходя из того, что ему больше всего нравится делать — или какой путь с наибольшей вероятностью приведет к научным результатам. В самом деле, часто мы выбираем свой подход в соответствии с тем, какой метод лучше всего соответствует нашим уникальным склонностям и талантам.

Представления о красоте меняются со временем, и не только в искусстве. Собственная специализация Мюррея Гелл–Манна — квантовая хромодинамика — хороший тому пример.

Выводы Гелл–Манна о законах сильного взаимодействия были сделаны на основании блестящей догадки о том, как организовать множество частиц, которые в 1960–е гг. открывали одну за другой, в разумную структуру, которая объяснила бы их многочисленность и разнообразие. Он предположил существование еще более фундаментальных элементарных частиц, известных сегодня как кварки, обладающих новым видом заряда — цветовым. В этом случае ядерному взаимодействию должны быть подвержены все объекты, обладающие этим зарядом; оно же должно удерживать кварки с образованием нейтральных объектов — точно так же, как электрическая сила связывает электроны с заряженными ядрами в нейтральные атомы. Если это так, то все открываемые частицы можно рассматривать как связанные состояния этих кварков — как составные объекты с нулевым суммарным цветовым зарядом.

Гелл–Манн понял, что если существует три типа кварков, каждый со своим цветовым зарядом, то из них сможет образоваться множество нейтральных («белых») связанных состояний. И это множество состояний должно соответствовать (и действительно соответствует) массе частиц, которые ученые находили тогда едва ли не каждую неделю. Таким образом, Гелл–Манн нашел красивое объяснение тому, что прежде казалось необъяснимым хаосом всевозможных частиц.

Однако, когда Мюррей и независимо от него физик (а позже нейробиолог) Джордж Цвейг опубликовали свою идею, многие даже не восприняли ее как настоящую научную теорию. Физика элементарных частиц исходит из того, что частицы на большом расстоянии не взаимодействуют — как следствие, мы можем рассчитать конечные эффекты взаимодействий, которые возникают при сближении. В таком контексте любое взаимодействие можно полностью представить как влияние локальных сил, которые проявляются лишь тогда, когда взаимодействующие частицы сближаются.

В то же время сила, о которой писал Гелл–Манн, становилась тем сильнее, чем дальше частицы находились друг от друга. Это означало, что кварки взаимодействуют всегда, даже если расстояние между ними очень велико. По общепринятым тогда критериям догадка Гелл–Манна не подходила даже на роль теории, которую можно использовать для достоверных вычислений. Поскольку кварки взаимодействуют всегда, любое их состояние — даже так называемое асимптотическое, когда кварк находится на значительном удалении от любого объекта — описывается очень сложно. И асимптотические состояния, постулированные в новой теории, были вовсе не тем же самым, что простые частицы, которые хотелось бы видеть в результате теоретического расчета. Разве это не отказ от красоты в пользу уродства?

Первоначально никто не знал, как организовать вычисления всех этих сложных состояний, связанных сильным взаимодействием. Однако современные физики относятся к сильному взаимодействию совершенно иначе. Мы теперь понимаем его намного лучше, чем в те времена, когда была впервые высказана эта идея. За разработку концепции «асимптотической свободы в теории сильных взаимодействий» Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Фрэнк Вильчек были удостоены Нобелевской премии. Согласно их расчетам, сила взаимодействия велика лишь при низких энергиях. При высоких энергиях ядерное взаимодействие лишь ненамного сильнее других типов взаимодействия, и расчеты дают ровно то, что ожидалось. Более того, некоторые физики сегодня считают теории, подобные теории сильного взаимодействия, единственными по–настоящему проработанными, — ведь сильное взаимодействие с ростом энергии быстро ослабевает, а не возрастает до бесконечности, как могло бы в противном случае.

Теория ядерного взаимодействия Гелл–Манна — интересный пример взаимосвязанности эстетических и научных критериев. Первоначально он стремился в основном к простоте. Но потребовалось немало научных расчетов и теоретических выкладок, прежде чем остальные ученые согласились с тем, что предложенная им теория красива.

Разумеется, этот пример не единственный. Во многих наших самых надежных теориях есть аспекты настолько на первый взгляд безобразные и неубедительные, что даже уважаемые и признанные ученые поначалу отвергали их. На квантовой теории поля, сочетающей в себе квантовую механику и специальную теорию относительности, основана вся физика элементарных частиц. Тем не менее итальянский физик и нобелевский лауреат Энрико Ферми (и не он один) поначалу отверг ее. Для Ферми проблема заключалась в том, что, хотя квантовая теория поля формализует и систематизирует все вычисления и позволяет делать верные прогнозы, при этом она пользуется такими вычислительными методами, которые даже многие сегодняшние физики считают слишком сложными. Некоторые аспекты этой теории действительно красивы. С другими ученым просто приходится мириться.

Эта история повторялась в науке не один и не два раза. Красивой теорию часто объявляют задним числом. Так, ядерное взаимодействие нарушает так называемую четность, то есть пространственную симметрию. Это означает, что частицы с левой киральностью взаимодействуют не так, как те, у которых киральность правая. Нарушение такой фундаментальной симметрии, как пространственная, представляется изначально тревожным. Тем не менее именно этой асимметрии мы обязаны существованием той линейки масс, которую видим вокруг себя, — а массы, в свою очередь, необходимы для жизни. Сначала асимметрия казалась отвратительной, но сегодня мы знаем, что она необходима. «Безобразное» само по себе нарушение пространственной симметрии ведет к «красивым» объяснениям более сложных явлений, без которых вещество в окружающем нас мире было бы невозможно.

Красота не абсолютна. Теория, симпатичная ее создателю, кому‑то другому может показаться громоздкой или путаной. Иногда я остро ощущаю красоту только что придуманной гипотезы — в основном потому, что знаю все прочие идеи, которые выдвигали другие ученые до меня и которые не оправдали надежд. Но даже то, что лучше предыдущих попыток, не обязательно красиво. Мне не раз случалось создавать модели, которые соответствовали этому критерию, но встречали скептицизм и непонимание со стороны коллег, менее знакомых с темой. Теперь мне кажется, что, возможно, лучший критерий хорошей идеи — то, что она способна понравиться даже человеку, который никогда специально не занимался этой проблемой.