Сабина Хоссенфельдер - Уродливая Вселенная [Как поиски красоты заводят физиков в тупик]

В 2002 году, когда я увязла в собственноручно выбранной теме диссертации – варианте гипотезы 1920-х годов о дополнительных измерениях, – научный руководитель убедил меня, что лучше переключиться на ее современную инкарнацию. И поэтому я тоже написала несколько статей о проверке существования дополнительных измерений на Большом адронном коллайдере. Однако коллайдер не регистрировал ничего, что говорило бы в пользу этих дополнительных измерений. Я начала сомневаться в аргументах, основанных на понятии естественности. Нима Аркани-Хамед перешел от больших дополнительных измерений к SUSY, и сейчас он профессор физики в Институте перспективных исследований в Принстоне.

Я мысленно делаю заметку: надо поговорить с Нимой.

«Конечно, с ним гораздо сложнее связаться, чем со мной. Вряд ли он так легко отвечает по электронной почте, – говорит мне Михаэль. – Он заправляет всей областью физики элементарных частиц в США. И считает, что для того, чтобы подвергнуть проверке естественность, нам нужен коллайдер, способный достичь 100 ТэВ. Может, китайцы построят ему коллайдер, кто знает».

По мере того как становится все очевиднее, что Большой адронный коллайдер не даст нам ожидаемых доказательств более красивых законов природы, специалисты по физике элементарных частиц в очередной раз перекладывают свои надежды на следующий, еще больший коллайдер. Нима – один из главных агитаторов в поддержку строительства нового кольцевого ускорителя частиц в Китае.

Но независимо от того, что еще можно будет открыть на более высоких энергиях, тот факт, что Большой адронный коллайдер до сих пор не нашел никаких новых элементарных частиц, означает, что верная теория, по стандартам физиков, неестественна. Фактически мы загнали себя в оксюморонную ситуацию, когда, согласно нашим собственным критериям красоты, сама природа оказывается неестественной.

«Обеспокоен ли я? Не знаю. Я сбит с толку, – признается Михаэль. – Я действительно в замешательстве. До Большого адронного коллайдера я думал, что-то должно случиться. Но теперь? Я обескуражен». Звучит знакомо.

• Физики используют много математики и по-настоящему гордятся тем, что она так хорошо работает.

• Но физика – не математика: разработка теорий требует данных для контроля.

• В некоторых областях физики новых данных не было уже много лет.

• В отсутствие экспериментов, направляющих исследование, теоретики прибегают к эстетическим критериям.

• И оказываются сбиты с толку, если это не срабатывает.

В которой я читаю много книг об умерших людях и обнаруживаю, что все любят красивые идеи, но красивые идеи иногда работают плохо. На конференции я начинаю волноваться, что физики вот-вот отбросят научный метод.

В школе я ненавидела историю, но с тех пор осознала целесообразность цитирования умерших людей для обоснования своих суждений. Я даже не притязаю на то, чтобы дать вам экскурс в историю роли красоты в науке, поскольку на самом деле я больше интересуюсь будущим, чем прошлым, и к тому же другие этим уже занимались 9. Однако, если мы хотим увидеть, как физика изменилась, мне нужно рассказать вам, какой она была.

До конца XIX века ученым было довольно привычно считать красоту природы за признак божественности. Хотя они искали – и находили – объяснения, которые прежде были в ведении Церкви, неизъяснимая гармония, раскрываемая законами природы, обнадеживала верующих в том, что наука не представляет риска для сверхъестественного.

Примерно на рубеже веков, когда наука отделилась от религии и стала более профессионализированной, ее приверженцы перестали приписывать красоту законов природы божественному влиянию. Они изумлялись благозвучию, царящему в законах, что управляют Вселенной, но вопрос интерпретации оставляли открытым или по меньшей мере отмечали собственные верования как личное мнение.

В XX веке эстетическая привлекательность трансформировалась из приятного бонуса научных теорий в главного советчика при их построении, пока в конце концов эстетические принципы не переросли в математический критерий. Сегодня мы больше не раздумываем над аргументами о красоте – их ненаучное происхождение «затерялось в математике».

Среди первых ученых, сформулировавших количественные законы природы, был немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер (1571–1630), работавший под сильным влиянием религиозных убеждений. У Кеплера была модель Солнечной системы, в которой известные тогда планеты – Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер и Сатурн – вращались по круговым орбитам вокруг Солнца. Радиусы орбит определялись правильными многогранниками – платоновыми телами, – вставленными друг в друга, и полученные таким образом расстояния между планетами хорошо согласовывались с наблюдениями. Идея была привлекательной. Кеплер считал, что «совершеннейший из строителей… с необходимостью должен был создать творение, обладавшее безупречной красотой».

Благодаря таблицам, фиксировавшим точные положения планет, Кеплер позднее убедился, что его модель неверна, и сделал вывод, что планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, а не круговым. Его новая идея тут же была встречена неодобрением – она не соответствовала эстетическому стандарту того времени.

В частности, Кеплера критиковал Галилео Галилей (1564–1642), веривший, что «только круговое движение естественно подобает естественным телам, составляющим Вселенную и приведенным в наилучшее расположение» 10 [9] Галилей Г. Диалог о двух главнейших системах мира – птоломеевой и коперниковой . М., Л.: ГИТТЛ, 1948. – Прим. перев. . Другой астроном, Давид Фабрициус (1564–1617), возмущался: «Своими эллипсами вы уничтожили кругообразность и равномерность движений, что представляется мне тем нелепее, чем больше я об этом думаю…» Фабрициус, как и многие в то время, предпочитал корректировать орбиты планет «эпициклами», то есть круговыми движениями меньшего радиуса вокруг круговых же орбит. «Если бы вы только могли сохранить идеальную круговую орбиту и обосновать свою эллиптическую орбиту другими небольшими эпициклами, – писал Фабрициус Кеплеру, – было бы намного лучше» 11.

Но Кеплер был прав. Планеты действительно движутся вокруг Солнца по эллипсам.

После того как объективные данные вынудили его отказаться от безупречных многогранников, Кеплер, в более позднем возрасте, пришел к убеждению, что планеты при движении рождают музыку. В своем трактате «Гармония мира», изданном в 1619 году, он вывел, как звучит каждая из планет, и заключил, что «Земля поет ми-фа-ми». Это была не лучшая его работа. Однако кеплеровский анализ планетных орбит заложил основы для последующих исследований Исаака Ньютона (1643–1727), первого ученого, который строго использовал математику.