Стивен Вайнберг - Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Фраза «спасти явления» — это традиционный перевод. Платон же имел в виду, что некоторая комбинация круговых движений должна в точности воспроизвести видимое движение планет по небосводу.

В Афинах эта задачу пытались решить Евдокс, Каллипп и Аристотель, а в Александрии — позднее и с бо́льшим успехом, благодаря эпициклам, — Гиппарх и Птолемей. Задача о движении планет продолжала волновать астрономов и философов исламского и христианского миров вплоть до времен Коперника и даже позже. Конечно, основная сложность в решении задачи Платона возникала из-за того, что Земля и то, что мы теперь называем планетами, обращаются вокруг Солнца, а не Солнце и планеты — вокруг Земли. Движение Земли естественным образом объясняет, почему иногда кажется, что планеты движутся вспять по зодиаку вдоль своего пути. Однако, даже когда Коперник объяснил это явление, он по-прежнему испытывал затруднения при согласовании своей теории с результатами наблюдений, поскольку разделял уверенность Платона в том, что орбиты планет должны состоять из кругов.

Нельзя найти ни одного действительно удовлетворительного решения «домашнего задания» Платона, поскольку на самом деле планеты движутся по эллиптическим орбитам. Это открытие было сделано Кеплером, который еще в молодости, подобно Платону, был очарован пятью правильными многогранниками. Два тысячелетия астрономы и философы были слишком впечатлены красотой симметрии круга и сферы.

Симметрии, с помощью которых в 1950-х гг. было предложено решить проблемы физики элементарных частиц, не были симметриями или инвариантами вещей , пусть даже таких важных, как атомы или орбиты планет. Это были симметрии, представляющие собой принцип инвариантности физических законов .

В современной науке законы природы формулируются в виде математических уравнений, которые точно описывают, что будет происходить в определенных обстоятельствах или при определенных условиях. Первыми физическими законами, сформулированными в таком виде, были законы движения и гравитации Ньютона, которые дали основу для понимания кеплеровской модели Солнечной системы. С самого начала законы Ньютона отвечали различным принципам инвариантности: законы, описывающие наблюдаемые нами проявления движения и гравитации, не изменяют свою форму, если мы переставим время на часах, или изменим точку отсчета расстояний, или повернем нашу измерительную лабораторию [80] По причинам, которые сложно объяснить без привлечения математики, эти симметрии предполагают выполнение важных законов сохранения — сохранения энергии, импульса и момента импульса (или спина). Некоторые другие симметрии подразумевают сохранение других величин, например электрического заряда. .

Есть еще одна, менее очевидная, симметрия, названная принципом относительности Галилея. Ее существование было предсказано в XIV в. Жаном Буриданом и Николаем Оремом: открываемые нами законы природы не изменяют своей формы, если мы проводим наши наблюдения в лаборатории, движущейся с постоянной скоростью.

Ньютон и его последователи приняли эти принципы инвариантности во многом как данность и использовали их как безусловное основание для своих теорий, поэтому ситуация, когда эти принципы сами по себе стали предметом для серьезных научных исследований, оказалась довольно болезненной. Суть СТО, предложенной Эйнштейном в 1905 г., состояла в уточнении принципа относительности Галилея. Ее разработка была мотивирована отчасти неудачными попытками физиков обнаружить какое-либо влияние движения Земли на измеряемую скорость света, подобное влиянию движения лодки на наблюдаемую скорость волн на поверхности воды. В СТО, как и в ньютоновской механике, помещение наблюдателя в движущуюся с постоянной скоростью лабораторию не изменяет форму наблюдаемых физических законов, однако влияние движения на измеряемые расстояния и временны́е интервалы, описываемое СТО, отличается от представлений Ньютона. Движение приводит к сокращению длины и замедлению времени так, чтобы скорость света оставалась постоянной независимо от скорости движения наблюдателя. Эта новая симметрия, названная принципом относительности Лоренца ( лоренц-ковариантностью ), требует значительных отклонений от ньютоновской физики, в том числе от закона преобразования энергии и массы [81] Лоренц пытался объяснить неизменность наблюдаемой скорости света, изучая влияние движения на частицы материи. Эйнштейн же, наоборот, объяснял те же результаты наблюдений изменением одной из фундаментальных симметрий природы. .

Появление СТО и ее успех дали физикам XX в. сигнал о важности принципов симметрии. Однако сами по себе симметрии пространства и времени, встроенные в СТО, не позволят нам продвинуться слишком далеко. Можно представить огромное множество теорий частиц и сил, согласующихся с указанными пространственно-временными симметриями. К счастью, уже в 1950-х гг. было ясно, что физические законы, какими бы они не были, отвечают симметриям всех других типов, как и пространственно-временным.

Еще с 1930-х гг. было известно, что неоткрытые законы сильного ядерного взаимодействия учитывают симметрию протонов и нейтронов — двух частиц, из которых состоит атомное ядро. Это означает, что уравнения, описывающие сильное взаимодействие, не изменяются не только при замене протонов на нейтроны и нейтронов на протоны. Форма уравнений сохраняется даже при замене протонов и нейтронов на частицы, соответствующие суперпозиции этих двух: например, каждый протон в уравнениях можно заменить на частицу, которая, скажем, с 60 %-ной вероятностью может оказаться протоном, а с 40 %-ной — нейтроном, а каждый нейтрон можно заменить частицей, которая с 40 %-ной вероятностью — протон, и с 60 %-ной — нейтрон. Вследствие этой симметрии сила, действующая между двумя протонами, равна не только силе между двумя нейтронами, она также равна силе, действующей между протоном и нейтроном. (Эта группа инвариантности математически тождественна группе движений сферы.)

Позже, в 1960-х гг., когда новых типов частиц, открытых учеными, становилось все больше, выяснилось, что описанная протон-нейтронная симметрия является частью еще большей группы симметрии, которую назвали « восьмеричный путь ». В этой большой группе симметричны друг другу не только протоны и нейтроны, но и еще шесть других частиц под названием «гипероны». Все частицы, участвующие в сильном ядерном взаимодействии, попадают в одинаковые семейства, состоящие из восьми, десяти и более членов.

Однако в существовании таких внутренних симметрий было нечто странное: в отличие от симметрий в пространстве и времени, эти новые симметрии были не совсем точными. Электромагнитные явления не согласуются с этими симметриями; протоны и некоторые гипероны имеют электрический заряд, тогда как нейтроны и другие гипероны — нет. Кроме того, массы протонов и нейтронов отличаются примерно на 0,14 %, а масса самого легкого гиперона отличается от массы протонов и нейтронов на 19 %. Если законы симметрии являют собой простоту природы на глубинном уровне, как быть с симметрией, которая применима только к некоторым силам, да и то приближенно?