Красота в мире современной физики
Лиза Рэндалл. Фото: сайт Университета штата Пенсильвания

Лиза Рэндалл. Фото: сайт Университета штата Пенсильвания

На русском языке вышла книга известного физика-теоретика Лизы Рэндалл, посвященная физике элементарных частиц и современной космогонии

Сегодня наука замерла накануне грандиозных открытий, которые существенно расширят наше понимание Вселенной и места человека в ней — утверждает Лиза Рэндалл, гарвардский профессор физики, специалист в области теории струн. В своей книге «Достучаться до небес» ученый предлагает отправиться своему читателю в мир актуальных исследований в сфере теоретической физики и элементарных частиц. Попытка Рэндалл быть простой и ясной в сложных вещах выглядит удачной. Такого результата ученый достигает благодаря обладанию редким сочетанием талантов теоретика и популяризатора науки, что само по себе редкость.

«Русская планета» с разрешения издательства «Альпина нон-фикшн» публикует фрагмент книги Лизы Рэндалл, посвященный взаимоотношениям эстетики и современной науки

Недавно один художник в разговоре со мной с юмором заметил, что современные ученые едва ли не чаще, чем современные художники, объявляют своей целью красоту. Конечно, художники не отказались от эстетических критериев, но тем не менее часто говорят об открытиях и изобретениях при обсуждении своих работ.

Но, несмотря на значение, которое многие ученые придают элегантности, они нередко по-разному оценивают ее. Точно так же, как вы с соседом можете не сойтись во мнениях относительно какого-нибудь современного художника, такого как Дэмьен Херст, разные ученые по-разному воспринимают одни и те же аспекты своей науки.

Я, как и мои единомышленники, предпочитаю искать фундаментальные принципы, которые раскрывали бы связи между совершенно независимыми на первый взгляд наблюдаемыми явлениями. Большинство моих коллег занимается тем, что разбирает при помощи конкретных разрешимых теорий и связанного с ними сложного математического аппарата так называемые модельные задачи (то есть задачи, не связанные с реальными физическими условиями). Возможно, позже эти задачи (и решения) найдут себе применение в связи с какими-то наблюдаемыми физическими событиями, а может быть, и нет. Другие физики предпочитают сосредоточиться на одних только теориях с четким и элегантным аппаратом; такие теории дают множество экспериментальных прогнозов, которые можно систематизировать и просчитывать.

Интересные принципы, высшая математика и сложные численные модели — все это составные части физической науки. Большинство ученых ценит их все, но каждый из нас выбирает собственные приоритеты, исходя из того, что ему больше всего нравится делать — или какой путь с наибольшей вероятностью приведет к научным результатам. В самом деле, часто мы выбираем свой подход в соответствии с тем, какой метод лучше всего соответствует нашим уникальным склонностям и талантам.

Представления о красоте меняются со временем, и не только в искусстве. Собственная специализация Мюррея Гелл-Манна — квантовая хромодинамика — хороший тому пример.

Выводы Гелл-Манна о законах сильного взаимодействия были сделаны на основании блестящей догадки о том, как организовать множество частиц, которые в 1960-е годы открывали одну за другой, в разумную структуру, которая объяснила бы их многочисленность и разнообразие. Он предположил существование еще более фундаментальных элементарных частиц, известных сегодня как кварки, обладающих новым видом заряда — цветовым. В этом случае ядерному взаимодействию должны быть подвержены все объекты, обладающие этим зарядом; оно же должно удерживать кварки с образованием нейтральных объектов — точно так же, как электрическая сила связывает электроны с заряженными ядрами в нейтральные атомы. Если это так, то все открываемые частицы можно рассматривать как связанные состояния этих кварков — как составные объекты с нулевым суммарным цветовым зарядом.

Гелл-Манн понял, что если существует три типа кварков, каждый со своим цветовым зарядом, то из них сможет образоваться множество нейтральных («белых») связанных состояний. И это множество состояний должно соответствовать (и действительно соответствует) массе частиц, которые ученые находили тогда едва ли не каждую неделю. Таким образом, Гелл-Манн нашел красивое объяснение тому, что прежде казалось необъяснимым хаосом всевозможных частиц.

Однако, когда Мюррей и независимо от него физик (а позже нейробиолог) Джордж Цвейг опубликовали свою идею, многие даже не восприняли ее как настоящую научную теорию. Физика элементарных частиц исходит из того, что частицы на большом расстоянии не взаимодействуют — как следствие, мы можем рассчитать конечные эффекты взаимодействий, которые возникают при сближении. В таком контексте любое взаимодействие можно полностью представить как влияние локальных сил, которые проявляются лишь тогда, когда взаимодействующие частицы сближаются.

В то же время сила, о которой писал Гелл-Манн, становилась тем сильнее, чем дальше частицы находились друг от друга. Это означало, что кварки взаимодействуют всегда, даже если расстояние между ними очень велико. По общепринятым тогда критериям догадка Гелл-Манна не подходила даже на роль теории, которую можно использовать для достоверных вычислений. Поскольку кварки взаимодействуют всегда, любое их состояние — даже так называемое асимптотическое, когда кварк находится на значительном удалении от любого объекта — описывается очень сложно. И асимптотические состояния, постулированные в новой теории, были вовсе не тем же самым, что простые частицы, которые хотелось бы видеть в результате теоретического расчета. Разве это не отказ от красоты в пользу уродства?

Мюррей Гелл-Манн. Фото: Melirius  / Wikipedia

Мюррей Гелл-Манн. Фото: Melirius  / Wikipedia

Первоначально никто не знал, как организовать вычисления всех этих сложных состояний, связанных сильным взаимодействием. Однако современные физики относятся к сильному взаимодействию совершенно иначе. Мы теперь понимаем его намного лучше, чем в те времена, когда была впервые высказана эта идея. За разработку концепции «асимптотической свободы в теории сильных взаимодействий» Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Фрэнк Вильчек были удостоены Нобелевской премии. Согласно их расчетам, сила взаимодействия велика лишь при низких энергиях. При высоких энергиях ядерное взаимодействие лишь ненамного сильнее других типов взаимодействия, и расчеты дают ровно то, что ожидалось. Более того, некоторые физики сегодня считают теории, подобные теории сильного взаимодействия, единственными, по-настоящему проработанными, — ведь сильное взаимодействие с ростом энергии быстро ослабевает, а не возрастает до бесконечности, как могло бы в противном случае.

Теория ядерного взаимодействия Гелл-Манна — интересный пример взаимосвязанности эстетических и научных критериев. Первоначально он стремился в основном к простоте. Но потребовалось немало научных расчетов и теоретических выкладок, прежде чем остальные ученые согласились с тем, что предложенная им теория красива.

Разумеется, этот пример не единственный. Во многих наших самых надежных теориях есть аспекты настолько на первый взгляд безобразные и неубедительные, что даже уважаемые и признанные ученые поначалу отвергали их. На квантовой теории поля, сочетающей в себе квантовую механику и специальную теорию относительности, основана вся физика элементарных частиц. Тем не менее итальянский физик и нобелевский лауреат Энрико Ферми (и не он один) поначалу отверг ее. Для Ферми проблема заключалась в том, что, хотя квантовая теория поля формализует и систематизирует все вычисления и позволяет делать верные прогнозы, при этом она пользуется такими вычислительными методами, которые даже многие сегодняшние физики считают слишком сложными. Некоторые аспекты этой теории действительно красивы, с другими ученым просто приходится мириться.

Эта история повторялась в науке не один и не два раза. Красивой теорию часто объявляют задним числом. Так, ядерное взаимодействие нарушает так называемую четность, то есть пространственную симметрию. Это означает, что частицы с левой киральностью взаимодействуют не так, как те, у которых киральность правая. Нарушение такой фундаментальной симметрии, как пространственная, представляется изначально тревожным. Тем не менее именно этой асимметрии мы обязаны существованием той линейки масс, которую видим вокруг себя, — а массы, в свою очередь, необходимы для жизни. Сначала асимметрия казалась отвратительной, но сегодня мы знаем, что она необходима. «Безобразное» само по себе нарушение пространственной симметрии ведет к «красивым» объяснениям более сложных явлений, без которых вещество в окружающем нас мире было бы невозможно.

Красота не абсолютна. Теория, симпатичная ее создателю, кому-то другому может показаться громоздкой или путаной. Иногда я остро ощущаю красоту только что придуманной гипотезы — в основном потому, что знаю все прочие идеи, которые выдвигали другие ученые до меня и которые не оправдали надежд. Но даже то, что лучше предыдущих попыток, не обязательно красиво. Мне не раз случалось создавать модели, которые соответствовали этому критерию, но встречали скептицизм и непонимание со стороны коллег, менее знакомых с темой. Теперь мне кажется, что, возможно, лучший критерий хорошей идеи — то, что она способна понравиться даже человеку, который никогда специально не занимался этой проблемой.

Иногда, правда, верно и обратное: хорошие идеи отвергаются только потому, что кажутся авторам некрасивыми. Макс Планк не поверил в фотоны, хотя именно он начал логическую цепочку, которая завершилась в конце концов их изобретением. Эйнштейн считал, что расширяющаяся Вселенная, непосредственно вытекавшая из уравнений общей теории относительности, невозможна, отчасти потому, что она противоречила его эстетическим и философским представлениям. Ни одна из этих концепций, вероятно, в свое время не казалась особенно красивой. Но законам физики и Вселенной, в которой они действуют, нет до этого дела.

Рэндалл Л. Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной — М.: Альпина нон-фикшн, 2013.

Комментарии

10 ноября 2013, 15:00
Так кто или что же создало это потрясающее мозг великолепие космического пространства - с кварками, фотонами, бозонами хиггса етс? Неужели еврейский бог Иегова и сын его распятый?
11 ноября 2013, 09:17
Теологи уже не лезут спорить с физиками, сейчас вообще РПЦ разрабатывает новый идеологический концепт: мол, Бог создал мир гораздо раньше, чем 7 тысяч лет назад, но именно Адам и Ева с божьей подачи обрели сознание, и дали начало осмысленному существованию человечества....
11 ноября 2013, 10:21
Я всегда знал,что бог создал космос и всех нас,просто в библии описывается лишь,отдельный маленький мир под названием Земля.так,что бы это было понятно людям,читающим ее.
Интересно тогда физическое место расположения Бога... Где нибудь в созвездии Гончих Псов....
11 ноября 2013, 11:25
В своей голове поискать не пробовали?
11 ноября 2013, 12:57
Вам же ясно поясняют в Библии - Бог Вездесущ! Что еще непонятного?!?
11 ноября 2013, 15:52
Видимо А.С. Разнотовский - очень дотошный малый, ему необходима конкретика, неоспоримые факты. Подайте-ка ему конкретный адрес бога, иначе веры нет! ))
P.S. Не удивлюсь, если у него дедушка физик-атеист, а бабушка еврейка)
11 ноября 2013, 12:55
Хорошая рецептура, всегда знал что русская православная церковь все же способна эволюционировать))
11 ноября 2013, 10:53
Вы не поверите, но это дело рук Летающего Макаронного Монстра.
11 ноября 2013, 12:51
Не путайте, по мнению самих евреев, распятый ими Иисус (он же Иесуа-Иешуа-Иегова) не имеет ни какого отношения к "истинному богу" Яхве, проживающему в лесопосадке! ))
Вот такая вот нелепая сублимация и уход от реальности, обусловленное вытеснением своей вины за убийство сына божьего!
Для них главный авторитет - Моисей, которого они наделили всеми божественными качествами, которые только можно вообразить.(
11 ноября 2013, 15:55
Причем Моисей - весьма интересная "божественная личность", главными духовными ценностями которого являлись материальные! )))
10 ноября 2013, 16:07
Статья ни о чем , набор красивых слов, да раза перечитал, ничего в голову не попало(
11 ноября 2013, 15:59
Чего ж вы хотите - статья видимо изначально была рассчитана на физиков-сублиматоров, причем явно десять раз рерайтенная, оттого и соответствующий эффект её содержания! )
11 ноября 2013, 10:43
Вселенная - это великое в малом и малое в великом. Человечество слишком ограниченно мыслит, что бы узреть истину
11 ноября 2013, 16:00
Но вы-то её явно узрели, причем давно, судя по фото? ))
11 ноября 2013, 21:40
так выпьем друзья за эволюцию и за имунитет выпить не забудем, да
Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Интересное в интернете
История, политика и наука с её дронами-убийцами
Читайте ежедневные материалы на гуманитарные темы. Подпишитесь на «Русскую планету» в соцсетях
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!
Станьте нашим читателем,
сделайте жизнь интереснее!
Помимо актуальной повестки дня, мы также публикуем:
аналитику, обзоры, интервью, исторические исследования.
личный кабинет
Спасибо, я уже читаю «Русскую Планету»