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

Конечно, не все испытывают подобные чувства, и есть люди, которым приходится задавать вопрос о том, стоит ли изучение законов природы миллиардов долларов, потраченных на строительство ускорителей частиц, таких как ускоритель в CERN. Этот вопрос неизбежно возникает снова и снова, поскольку Стандартная модель в ее современном виде, очевидно, еще не конец истории. Она не описывает гравитацию; она не объясняет, почему кварки, электроны и другие частицы имеют именно такие значения массы; и ни одна из частиц Стандартной модели не может представлять темную материю, на которую, по словам астрономов, приходится до 5/6 всей массы Вселенной. Можете не сомневаться, что физики снова будут просить свои правительства профинансировать создание установок, которые им потребуются для разрешения всех этих вопросов.

Подобного рода расходы можно обосновать даже перед лицом тех, кому нет дела до изучения законов природы. Исследование переднего края наших знаний о природе в некотором отношении напоминает войну — это раздвигает границы существующих технологий и зачастую приводит к появлению новых технологий, имеющих огромное практическое значение. Например, новая частица была получена на ускорителе в CERN в результате столкновений протонов, происходящих с частотой около сотни миллионов столкновений в секунду. Чтобы проанализировать такой огромный поток данных, генерируемый всеми этими столкновениями, требуются уникальные вычислительные мощности. Кроме того, до столкновений протоны в процессе многократного прохождения по 27-километровому туннелю ускоряются до энергий, в 3000 раз превышающих энергию, содержащуюся в их массе. Чтобы удержать частицы на их траекториях в процессе ускорения, требуются невероятно мощные сверхпроводящие магниты, охлаждаемые самым большим в мире источником жидкого гелия. Во время предыдущих проектов CERN ученые, занимающиеся физикой частиц, разработали метод обмена данными, который затем превратился в глобальную сеть интернет.

В отдаленной перспективе развитие технологий будет отражать связанную картину природы, которую мы сейчас собираем по кусочкам. В конце XIX в. английские физики изучали свойства электрических токов в сильно разреженной среде. И хотя это была чистая наука, не имевшая целью практическое применение, исследования привели к открытию электрона, без представлений о котором большая часть современных технологий не могла бы существовать. Если бы эти физики ограничивали себя работой, имеющей очевидную практическую ценность, они должны были бы изучать поведение паровых котлов.

Квантовая механика сегодня считается универсальным математическим средством, позволяющим нам понимать законы природы. Все физики пришли к согласию насчет того, как следует использовать квантовую механику, и ее применение позволило выполнить потрясающе успешные расчеты атомов, молекул, атомных ядер, элементарных частиц и многого другого. Вместе с тем в ней местами сохраняется противоречивость, прежде всего в том, что касается формулировки ее положений относительно измерений и вероятностей, а также их проверки.

Как и большинство физиков, в целом я был удовлетворен использованием квантовой механики в своих прошлых работах и не особенно переживал насчет противоречий. Однако в 2012 г. в процессе написания учебника по квантовой механике я решил, что должен заняться этими проблемами, чтобы можно было изложить их студентам старших курсов и аспирантам.

Я прочел приличный объем того, что было написано физиками, всерьез интересовавшимися фундаментальными основами квантовой механики, но почувствовал некоторое смущение от того, что не могу выбрать ни одну из их интерпретаций квантовой механики, которая казалась бы мне совершенно удовлетворительной. Мое смятение усилилось, когда в 2015 г. я столкнулся с той же проблемой при подготовке второго издания своего учебника.

Примерно тогда я задумался о том, чтобы описать проблемы вокруг квантовой механики в научно-популярной статье. Эта идея получила развитие, когда меня пригласили выступить со специальной лекцией — четвертой ежегодной Патруской лекцией Совета по развитию научного писательства на встрече, проходившей в октябре 2016 г. в Сан-Антонио. Предложение было заманчивым, поскольку давало мне возможность узнать, смогу ли я понятно рассказать о квантовой механике не физикам.

Я посчитал, что мое выступление прошло довольно хорошо, поэтому записал его для журнала The New York Review of Books . Статья вышла в номере от 19 января 2017 г. Эта публикация стала моей последней статьей, написанной в сотрудничестве с выдающимся редактором журнала Робертом Сильверсом, который скончался 20 марта 2017 г.

«Сотрудничество» — подходящее слово. Время от времени Боб включал в Review статьи о фундаментальной науке, но он понимал всю сложность перевода идей с языка физики на язык обычного читателя. Это стало отдельной проблемой при написании статьи о квантовой механике, идеи которой настолько далеки от интуитивно понятных, что почти невыразимы на любом языке, кроме математического. Боб указал на множество непонятных мест в первом варианте текста и без устали заставлял меня их прояснять. Даже если в этой статье остались сложные куски, ни один редактор не смог бы сделать ее более понятной.

Развитие квантовой механики в первые десятилетия XX в. повергло в шок многих физиков. Сегодня, несмотря на ее огромные успехи, споры о ее значении и будущем продолжаются.

Первым серьезным испытанием стал вызов, брошенный привычным физическим понятиям, сложившимся к 1900 г. Были частицы (атомы, а затем электроны и атомные ядра), и были поля — они заполняют в пространстве целые области, из-за чего там действуют электрические, магнитные и гравитационные силы. Световые волны были признаны самоподдерживающимися колебаниями электрического и магнитного полей. Однако для того, чтобы описать излучение, испускаемое нагретыми телами, Альберт Эйнштейн в 1905 г. посчитал необходимым представить световые волны в виде потоков безмассовых частиц, позже названных фотонами. Затем в 1920-е гг., благодаря теориям Луи де Бройля и Эрвина Шрёдингера, выяснилось, что электроны, которые всегда считались частицами, при определенных условиях ведут себя как волны. Для того чтобы описать энергетически стабильные состояния атомов, физикам пришлось отказаться от представления об электронах в атомах как о маленьких ньютоновских планетах, вращающихся по орбитам вокруг атомных ядер. Электроны в атомах скорее подобны волнам, окружающим ядро, — как звуковые волны окружают органную трубу [90] Ограничения, накладываемые на звуковые волны вблизи закрытых или открытых концов органных труб, требуют, чтобы на длине трубы укладывалось нечетное число четвертей длины волны, или четное или нечетное число полудлин волны. Таким образом возникают ограничения на то, какие именно ноты могут быть исполнены с помощью этой трубы. В атоме волновая функция должна отвечать условию непрерывности и ограниченности вблизи ядра и вдали от него, что ограничивает возможные значения энергии для состояний атома. . В фундаментальных понятиях началась путаница.