Стивен Вайнберг - Объясняя мир. Истоки современной науки

Теперь у нас есть такая квантовая теория поля, известная как Стандартная модель. Стандартная модель – это расширенная версия квантовой электродинамики. Наряду с полем электронов существуют поля нейтрино, квантами которых являются фермионы – такие же частицы, как электроны, но с нулевым электрическим зарядом и почти с нулевой массой. Существует пара кварковых полей, кванты которых являются составляющими протонов и нейтронов, которые образуют атомные ядра. По причинам, которых никто не понимает, этот набор повторяется еще раз, с более тяжелыми кварками и более тяжелыми частицами, напоминающими электрон и их партнеров-нейтрино. Электромагнитное поле вновь появляется в унифицированном электрослабом взаимодействии наряду с другими полями, отвечающими за слабое ядерное взаимодействие, которое позволяет протонам и нейтронам превращаться друг в друга в процессах радиоактивного распада. Кванты этих полей – тяжелые бозоны. Ими могут быть электрически заряженные W+ и W– или электрически нейтральный Z0. Также существует восемь похожих с точки зрения математики «глюоновых» полей, ответственных за сильные ядерные взаимодействия, которые удерживают кварки вместе внутри протонов и нейтронов. В 2012 г. был открыт последний недостающий элемент Стандартной модели – тяжелый электрически нейтральный бозон, который был предсказан в рамках электрослабой части Стандартной модели.

Но Стандартной моделью история не кончается. За ее пределами остается гравитация; Стандартная модель не объясняет наличие темной материи, которая, по словам астрономов, составляет 5/6 массы Вселенной; кроме того, Стандартная модель включает слишком много необъясненных численных величин, таких как соотношения масс различных кварков и частиц, подобных электронам. Но даже при этом Стандартная модель представляет достаточно унифицированную точку зрения на все типы вещества и сил (кроме силы тяготения), с которыми мы встречаемся в наших лабораториях, и может быть описана в виде набора уравнений, умещающихся на одном листе бумаги. Мы можем быть уверены, что Стандартная модель станет, по крайней мере, приблизительным вариантом будущей лучшей теории.

Стандартная модель показалась бы неудовлетворительной многим натурфилософам от Фалеса до Ньютона. Она обезличена, в ней нет никакой связи с такими человеческими чертами, как любовь или справедливость. Стандартная модель не сделает того, кто ее изучает, лучше, как сулил Платон изучающим астрономию. Также, вопреки тому, чего Аристотель ожидал от физической теории, в ней нет элемента конечной цели. Разумеется, мы живем во Вселенной, которая управляется Стандартной моделью, и можем представить, что электроны и два легких кварка являются тем, что они есть, для того, чтобы наше существование стало возможным. Но что тогда делать с их более тяжелыми эквивалентами, которые не имеют никакого отношения к нашим жизням?

Стандартная модель выражается в уравнениях, описывающих различные поля, но ее нельзя вывести только математически, кроме того, она не следует непосредственно из наблюдения природы. В самом деле, кварки и глюоны притягивают друг друга силами, которые возрастают с расстоянием, поэтому эти частицы никогда не удается наблюдать отдельно. Стандартную теорию невозможно вывести и из философских первоначал. Она, скорее, является продуктом умозаключений, ведомых эстетическим суждением и подкрепленных множеством успешных предсказаний. Хотя в Стандартной модели есть много неразрешенных вопросов, мы рассчитываем, что по крайней мере некоторые из них будут объяснены в любой более проработанной теории, которая ее сменит.

Старинная тесная связь между физиками и астрономами сохраняется и по сей день. Теперь мы понимаем ядерные реакции так хорошо, что можем не только высчитать, как Солнце и другие звезды светят и эволюционируют, но и понять, как в первые несколько минут расширяющейся Вселенной образовались легчайшие элементы. И, как и в прошлом, астрономы сегодня бросают физикам интеллектуальный вызов: расширение Вселенной ускоряется, что, как предполагают, связано с темной энергией, которая содержится не в массах частиц и их движении, а в самом космосе.

Существует одна сторона исследования окружающего мира, которую, на первый взгляд, затруднительно воспринимать с помощью любой физической теории, не имеющей цели, вроде Стандартной модели. Мы не можем избежать телеологии, когда речь идет о живых существах: мы описываем сердце и легкие, корни и цветы в зависимости от цели, которой они служат. Эта тенденция только набирала силу, когда во времена после Ньютона поток информации о живой природе возрастал благодаря таким натуралистам, как Карл Линней и Жорж Кювье. Не только теологи, но и ученые, такие как Роберт Бойль и Исаак Ньютон, видели в чудесных особенностях растений и животных волю всемогущего Творца. Даже если мы избежим сверхъестественного объяснения особенностей живой природы, понимание жизни, кажется, еще долго будет базироваться на телеологических принципах, отличающихся от принципов физических теорий, таких как Стандартная модель.

Объединение биологии с остальными науками впервые стало возможно в середине XIX в., после того, как Чарльз Дарвин и Альфред Рассел Уоллес независимо предложили теорию эволюции, основанную на естественном отборе. Эволюция к тому времени была уже знакомой идеей, ключ к которой содержался в палеонтологических летописях. Многие ученые, принимавшие реальность эволюции, объясняли ее как результат фундаментального принципа биологии – свойственного всем живым существам стремления к совершенству, – принципа, который не допускал никакого объединения биологии с физикой. Дарвин и Уоллес вместо этого предположили, что эволюция действует через появление наследственных изменений; при этом благоприятные изменения ничем не отличаются по вероятности от неблагоприятных, но неизбежно распространяются только те изменения, которые повышают шансы на выживание и размножение {290}.

Потребовалось много времени для того, чтобы естественный отбор был принят как механизм эволюции. Во времена Дарвина никто не знал о механизмах наследования или о проявлении наследуемых изменений, поэтому у биологов оставалась возможность надеяться на более осмысленную теорию, в которой будет присутствовать цель. Особенно неприятно было представлять себе, что люди являются результатом естественного отбора, длящегося миллионы лет и управляемого случайными наследственными изменениями. В конечном счете в XX в. открытие законов генетики и частотности мутаций привело к «неодарвиновской синтетической теории», которая укрепила дарвиновскую теорию эволюции на более устойчивых основаниях. В конце концов эта теория оказалась связана с химией и через нее с физикой, когда выяснилось, что генетическая информация переносится в двойных спиралях молекул ДНК.