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

Аналогию можно углубить. Свобода, которой обладают теоретики и художники, является также и источником нашего глубочайшего страдания. При бесконечном разнообразии возможных теорий, поэм или картин как нам каждый день удается решать, сидя за рабочим столом, что делать дальше? Как ни парадоксально, огромную помощь теоретической физике оказывают ограничения, которым должны отвечать наши теории, даже несмотря на то что эти ограничения усложняют нам работу. Мне кажется, что нечто подобное существует и в искусстве. Художники вдохновляются теми же самыми ограничениями, которые затрудняют их работу, при этом мы получаем огромное удовольствие от искусства, наблюдая за тем, как художники обходятся с этими ограничениями. Итак, вот моя тема для обсуждения — ограничения, которые должны соблюдать художники и физики-теоретики, как они усложняют наше ремесло и как при этом делают его существование возможным.

Первое ограничение, накладываемое на физические теории, состоит в том, что все они должны согласовываться с результатами наблюдений. Оно может показаться очевидным, однако способ это осуществить не всегда так уж прост. Во-первых, иногда результаты экспериментов ошибочны. Вот классический пример. В 1905–1906 гг. Уолтер Кауфман из Геттингенского университета провел измерение отклонений быстрых электронов в электрическом и магнитном полях. Его данные вроде бы показывали, что СТО Эйнштейна неверна. Вы можете сказать, что этот факт должен был привести к отказу от СТО. Тем не менее, сохраняя впечатляющее самообладание, Эйнштейн предположил, что неверны результаты экспериментов Кауфмана, и, конечно, Эйнштейн не ошибся. Я тоже имел опыт, когда результаты эксперимента, казалось, противоречили теории, над которой я работал, — Стандартной модели элементарных частиц. Эта теория подтверждена множеством экспериментов, проведенных в начале 1970-х гг. Позже, в 1976–1977 гг., оказалось, что несколько независимых экспериментов по распространению поляризованного света в парáх висмута и по формированию мюонных триплетов при высокоэнергетических столкновениях вроде бы противоречат теории. Не обладая самоуверенностью Эйнштейна, я и другие теоретики принялись за работу и начали искать модификации Стандартной модели, которые сохранили бы ее прошлые успехи и соответствовали новым данным. Мы могли бы избавить себя от этой проблемы; через несколько лет выяснилось, что эксперименты с висмутом и мюонными триплетами были просто ошибочными и Стандартная модель не нуждается в модификации.

У правила о соответствии теории и эксперимента есть и более тонкий момент. Всякий раз, когда теоретическую модель используют для выполнения расчетов, результаты этих расчетов зависят не только от самой верифицируемой теории, но также и от того, какие вспомогательные предположения о природе наблюдаемого явления были сделаны. Например, используя результаты наблюдений за Солнечной системой для проверки своих уравнений движения и гравитации, Ньютон, а потом и многие его последователи предполагали, что планеты и кометы движутся только под воздействием силы притяжения. К началу XIX в. стало известно, что траектории движения комет Галлея и Энке слегка отклоняются от расчетов, выполненных в рамках ньютоновской механики, однако это не означает, что теория Ньютона неверна. Как оказалось, проблема не в теории, а в дополнительном предположении о том, что на кометы действует только гравитация. На самом деле, когда комета пролетает близко от Солнца, часть льда на ее поверхности испаряется, что создает воздействующую на комету силу, отличную от гравитации, — вроде реактивной силы горячих газов, выбрасываемых ракетным двигателем.

Из-за таких сложностей самое важное ограничение, накладываемое на новую теорию, зачастую связано не с описанием тех или иных новых экспериментальных данных, а с необходимостью соответствовать всему корпусу измерений, выполненных ранее и выкристаллизовавшихся в предшествующих теориях. Коперник проверял свою гелиоцентрическую теорию не на основе новых наблюдений за планетами, а с помощью сверки своих расчетов с точными данными, полученными в рамках геоцентрической модели Птолемея. Новые теории, конечно, не согласуются полностью с любой предшествующей теорией — иначе они не были бы новыми, однако новые модели не должны пренебрегать достижениями старых. Такой порядок вещей делает работу теоретика намного более консервативной, чем принято считать.

Замечательно, что необходимость сохранять достижения прошлого не только ограничивает, но еще и направляет. В построении революционной СТО Эйнштейну очень помогла убежденность в том, что его теория должна быть согласована с электромагнитной теорией Максвелла. В 1913 г. при выводе уравнений своей модели атома водорода Нильс Бор полагался на принцип, который он называл принципом соответствия. Этот принцип требует, чтобы квантово-механические расчеты соответствовали результатам классической теории больших систем в той области, где классическая теория работает. В частности, согласно этому принципу частота фотона, испущенного электроном на относительно большой атомной орбите, должна быть равна частоте, с которой в классической физике этот электрон движется вокруг ядра по своей орбите. Требование о сохранении в квантовой теории подобных аспектов предшествующих моделей обеспечило Бору всю необходимую информацию для успешного завершения его модели атома.

Всем нам нравится делать что-то новое, однако никогда наши результаты не бывают абсолютно новыми. Когда наблюдение за отклонением лучей света звезд в гравитационном поле Солнца, проведенное во время солнечного затмения 1919 г., подтвердило ОТО Эйнштейна, газета The Times вышла с заголовками, в которых заявлялось, что найдено доказательство ошибочности теории гравитации Ньютона. На самом деле Эйнштейн вовсе не доказывал ошибочность теории Ньютона, наоборот, Эйнштейн использовал в своей теории важное ограничение, состоящее в том, что его теория должна совпадать с теорией Ньютона в области, в которой та работает: то есть для тел, движущихся в слабых гравитационных полях со скоростями намного меньше скорости света. Действительно, необходимость соблюдения этого ограничения направляла Эйнштейна в процессе работы над полевыми уравнениями ОТО.

Бытовало мнение (высказанное, например, историком Артуром Миллером), что достижения физики XX в. внесли свой вклад в рождение авангардного искусства. Если это так, тогда искусство оказалось под влиянием (и, я считаю, неблагоприятным влиянием) раздутой роли радикализма в физике.

Конечно, о произведении искусства вряд ли можно говорить как о правильном или ошибочном. Я считаю, что ближайшей аналогией оценки правильности для произведения искусства является чувство глубокого удовлетворения, которое возникает со временем, — именно его мы ждем от искусства. В данном смысле, я думаю, мы можем говорить о том, работает художественная идея или нет. И снова почти как в теоретической физике, идеи в искусстве часто не работают.