Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик

Герард Хоофт, первым сформулировавший математический критерий естественности, который теперь направляет значительную часть исследований в теоретической физике элементарных частиц (и тоже удостоенный Нобелевской премии), предостерегает: «Красота – опасное понятие, поскольку она всегда может вводить людей в заблуждение. Если у вас есть теория, оказавшаяся красивее, чем вы исходно ожидали, это служит намеком на то, что все верно, что вы правы. Но никаких гарантий и в помине нет. На ваш взгляд, теория, положим, и красива, но она может быть просто ошибочной. И с этим ничего не поделаешь». Но: «Разумеется, когда мы читаем о новых теориях и видим, как они красивы и просты, у них есть немалое преимущество. Мы верим, что такие теории имеют гораздо больше шансов оказаться успешными»³⁰.

В своей книге-бестселлере «Элегантная Вселенная» специалист по теории струн Брайан Грин (не получивший Нобелевской премии) уверяет читателя: «…Эстетические аргументы не решают научных споров». Затем он продолжает: «Однако, несомненно, бывают случаи, когда решения, принимаемые физиками-теоретиками, основываются на эстетических соображениях, на ощущении того, что красота и элегантность той или иной теории соответствуют красоте и элегантности окружающего нас мира. <…> До настоящего времени такой подход не раз демонстрировал свою мощь и предсказательную силу»³¹[22].

Абстрактная математика трудно выразима, и этот человеческий поиск красоты может быть назван средством маркетинга научно-популярных книг. Но научно-популярные книги не просто доступно излагают трудные вопросы, а делают нечто большее – показывают, как физики-теоретики мыслят и работают.

Где обитает красота

Триумфы прошлого века все еще свежи в памяти ученых, сегодня приближающихся к выходу на пенсию, и их упор на красоту существенно повлиял на следующее поколение – мое поколение, неуспешное. Мы работаем с уже формализованными эстетическими идеалами прошлого – симметрией, объединением и естественностью.

Кажется вполне разумным опираться на опыт прошлых лет и пробовать то, что работало прежде. И вправду, мы были бы глупцами, если бы не следовали советам наших предшественников. Но мы также были бы глупцами, если бы зацикливались на этих советах. И я настороженна и становлюсь все настороженней с каждым нулевым результатом. Красота – проводник ненадежный, она уже много раз сбивала физиков с пути.

* * *

То, что эти взаимосвязи демонстрируют, во всей своей математической абстракции, невероятную степень простоты, – есть дар, который нам остается только смиренно принять. Даже Платон не в силах был поверить, что они настолько прекрасны. Так как эти взаимосвязи не могут быть выдуманы, они существовали с момента сотворения мира ³².

В 1958 году Гейзенберг написал эти строки в письме своей сестре Эдит. Прекрасные взаимосвязи, о которых он здесь говорит, как ни странно, не имеют отношения к его теории – квантовой механике. Нет, в тот период своей жизни он пытался – и не преуспел – разработать единую теорию, теперь это не более чем ремарка в книгах по истории физики.

А когда мы изучаем идеи Гейзенберга, оказавшиеся удачными, то обнаруживаем, что его научные работы отнюдь не производили впечатления чуда красоты. Его современник Эрвин Шрёдингер высказал замечание: «Конечно, я знал о его теории, однако меня отпугивали, если не сказать отталкивали, казавшиеся мне очень трудными методы трансцендентной алгебры и отсутствие наглядности»³³[23].

Не то чтобы Гейзенберг любезнее отзывался об идеях Шрёдингера. Вольфгангу Паули он писал: «Чем больше я размышляю о физической стороне теории Шрёдингера, тем более отталкивающей она мне кажется. То, что Шрёдингер пишет о наглядности своей теории… чушь»³⁴[24]. В итоге оба подхода – Гейзенберга и Шрёдингера – стали частью одной теории.

Красота дала сбой не только при создании квантовой механики. Платоновы тела, с помощью которых Кеплер вычислял орбиты планет, о чем мы говорили выше, – вероятно, самый известный пример конфликта между эстетическими идеалами и фактами. Более свежий случай, относящийся к первой половине XX века, – стационарная модель Вселенной.

В 1927 году Жорж Леметр нашел решение уравнений общей теории относительности, которое натолкнуло его на предположение, что наполненная веществом вселенная вроде нашей расширяется. Он заключил, что Вселенная должна была иметь начало – «большой взрыв». Когда Эйнштейн впервые ознакомился с этим решением, он сообщил Леметру, что нашел идею «отвратительной»³⁵. И, напротив, ввел в свои уравнения дополнительный член – космологическую постоянную, – чтобы вогнать Вселенную в статичное состояние.