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

Сформулировать эстетические критерии очень трудно. В науке, как и в искусстве, есть объединяющие темы, но нет абсолюта. Тем не менее эстетические критерии в науке полезны. Они помогают выявлять направление исследований, хотя и не дают гарантии успеха.

Эстетические критерии, применяемые в науке, похожи на те, что мы обрисовали для искусства. Симметрия, безусловно, играет в них важную роль. Интересно, что, как и в искусстве, симметрия в науке обычно относительна. Лучшие научные описания, как правило, отдают дань изяществу симметричных теорий, но предусматривают и нарушения симметрии, необходимые для корректного прогнозирования событий в окружающем нас мире. Нарушение симметрии обогащает концепции, к которым относится, и придает им дополнительные объяснительные возможности. И, как часто бывает в искусстве, теории, связанные с нарушением симметрии, могут быть куда красивее, чем те, что полностью сбалансированы.

Прекрасный пример тому — механизм Хиггса, отвечающий за массы элементарных частиц. Он красноречиво объясняет, как может быть нарушена симметрия, связанная со слабым взаимодействием. Мы еще не обнаружили бозон Хиггса — частицу, которая неопровержимо доказала бы верность этой концепции [51] По состоянию на момент написания книги. — Прим. пер. . Но эта теория так красива, что большинство физиков уверены в том, что она верно описывает природу.

Простота — еще один важный субъективный критерий, который используют физики–теоретики. В глубине души все мы верим, что в основе сложных наблюдаемых явлений лежат простые правила и элементы. Поиск простых базовых элементов, из которых состоит все вокруг, начался отнюдь не вчера. Еще в Древней Греции Платон представлял себе идеальные объекты — геометрические формы — и идеальных существ, к которым земные объекты и существа могут лишь приблизиться. Религии тоже нередко постулируют существование более совершенных и цельных субстанций, не встроенных в реальность, но каким‑то образом с ней связанных. Даже история изгнания наших предков из Райского сада предполагает, что когда‑то мир был идеальным. Вопросы, к которым обращается современная физика, и ее методы очень отличаются от тех, что были у наших предков; тем не менее многие физики и сегодня заняты поисками простого объяснения Вселенной — не в философском или религиозном смысле, а в плане фундаментальных элементов, составляющих основу нашего мира.

Поиск базовой научной истины часто подразумевает поиск простых элементов, из которых можно объяснить сложные явления, наблюдаемые в мире. Такие исследования нередко включают в себя поиск моделей и организационных принципов. Большинство ученых считают перспективными только изящные и лаконичные гипотезы. Кроме того, точка с минимумом исходных данных имеет дополнительные преимущества: она обещает максимум предсказательной силы. Рассматривая новые гипотезы об основаниях Стандартной модели, мы, как правило, скептически относимся к моделям слишком громоздким.

Опять же, как в искусстве, физические теории могут быть просты сами по себе, а могут представлять собой сложные композиции, составленные из простых и предсказуемых элементов. Конечный результат, разумеется, не всегда получается простым, даже если просты исходные компоненты, а иногда и правила, которым они подчиняются.

Крайнее проявление подобных стремлений — поиск единой теории, которая состояла бы всего из нескольких простых элементов и подчинялась небольшому набору правил. Это амбициозная,. чтобы не сказать дерзкая, задача. Ясно, что на пути к достижению этой цели нас ждут очевидные препятствия, не позволяющие нам легко отыскать элегантную теорию, которая объяснила бы все без исключения наблюдаемые факты: в мире вокруг мы видим лишь малую часть того, что должна воплощать в себе такая теория. Единая теория, или теория всего, будучи простой и элегантной, должна обладать достаточной глубиной, чтобы охватывать все. Конечно, каждому хотелось бы верить в существование единственной простой и красивой теории, составляющей фундамент всей физики. Однако Вселенная не так чиста, проста и упорядочена, как наши теории. Даже если единая трактовка возможна, потребуется огромное количество исследований, чтобы связать ее со сложными явлениями, которые мы наблюдаем в окружающем мире.

Иногда в суждениях о красоте мы заходим слишком далеко. Наши студенты любят пошутить в адрес профессоров, которые то и дело называют понятные ученым явления «тривиальными», вне зависимости от того, насколько те на самом деле сложны. Конечно, профессор хорошо знает ответ, и базовые элементы, и логику рассуждений, но студенты‑то в аудитории ничего этого не знают. Много позже, когда они научатся раскладывать задачу на простые составляющие, она и для них, возможно, станет тривиальной. Но сначала им придется попотеть.

В науке, как и в жизни, не может быть единого критерия красоты. Есть только несколько интуитивных соображений и экспериментально установленных ограничений, которыми мы можем руководствоваться в поиске истины.

Но не будем заблуждаться, в конечном итоге лишь эксперимент определит, какая из научных гипотез верна, если среди них вообще есть верная. Возможно, в науке эстетические критерии и играют какую‑то роль, но подлинный научный прогресс нуждается в глубоком понимании, прогнозировании и тщательном анализе данных. Любая гипотеза, как бы красиво она ни выглядела, может оказаться неверной — и тогда ее следует отбросить.

Но, прежде чем добраться до высоких энергий или гипотетических параметров, необходимых для получения верных физических описаний, физики вынуждены догадываться о том, что скрывается за Стандартной моделью, при помощи эстетических и теоретических соображений. Пока, обладая лишь ограниченными данными, мы определяем направление дальнейших исследований исходя из собственного вкуса и возможностей.

В идеале нам хотелось бы подробно рассмотреть последствия самых разных допущений. Делается это в науке при помощи моделирования. Мы с коллегами исследуем различные модели физики элементарных частиц — гипотезы о том, какие физические теории могли бы лежать в основе Стандартной модели. Наша цель — отыскать простые принципы организации сложных явлений, свидетелями которых мы являемся на более легкодоступных масштабах, и таким образом прояснить «белые пятна» наших представлений о мире.

При создании физических моделей ученые пытаются сбалансировать выводы, полученные с помощью общепринятой эффективной теории, и гипотетические представления о все более мелких масштабах. При этом мы используем подход «снизу вверх»: берем то, что нам известно, — и явления, которые уже получили объяснение, и те, что продолжают оставаться для нас загадкой, — и пытаемся дописать картину—вывести такую фундаментальную модель, которая объяснила бы связи между наблюдаемыми свойствами элементарных частиц и их взаимодействиями.