Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик

Максвеллу, например, самому не нравилась электродинамика в том виде, в каком он ее сформулировал, потому что он не мог придумать, какой могла бы быть лежащая в ее основе механистическая модель. В то время эталоном красоты служила вселенная с механическим заводом, но в теории Максвелла электромагнитные поля просто есть – они не сделаны из чего-то еще, никаких шестеренок и пазов, никаких жидкостей и клапанов. Максвелл был недоволен собственной теорией, поскольку думал, что, только «когда физическое явление может быть полностью описано как изменение конфигурации и движения материальной системы, говорят, что мы имеем полное динамическое объяснение явления»[28]. Много лет Максвелл пытался дать объяснение электрическим и магнитным полям, которое согласовывалось бы с механистической картиной мира. Увы, тщетно.

Механизмы были повальным увлечением в то время. Уильям Томсон (позднее лорд Кельвин) считал, что, только когда у физиков есть механистическая модель, они действительно вправе утверждать, что понимают определенное явление⁴². Людвиг Больцман, по словам его ученика Пауля Эренфеста, «определенно получал большое эстетическое удовольствие, позволяя своему воображению играть с клубком взаимосвязанных движений, сил, противодействий, пока не достигал состояния, когда их смысл можно было ухватить»⁴³. Следующие поколения физиков просто заметили, что подобные подспудные механистические толкования излишни, и стали привыкать работать с полями.

Полвека спустя квантовая электродинамика – квантованная версия электродинамики Максвелла – также страдала от кажущегося недостатка эстетической привлекательности. Теория породила бесконечности, которые надлежало убрать искусственными методами, введенными исключительно для того, чтобы дать осмысленные результаты. Это был прагматичный подход, Дираку совсем не нравившийся: «Недавняя работа Лэмба, Швингера, Фейнмана и других была очень успешной… <…> Однако окончательная теория оказывается весьма некрасивой и неполной, так что ее нельзя рассматривать как решение проблемы электрона»⁴⁴[29]. Когда Дирака спросили, что он думает о недавних разработках квантовой электродинамики, он ответил: «Я считал бы, что новые идеи верны, не будь они так безобразны»⁴⁵[30].

В последующие десятилетия для работы с бесконечностями были найдены способы получше. Квантовая электродинамика оказалась хорошей теорией, в рамках которой от бесконечных величин можно честно избавиться, введя два параметра, подлежащих экспериментальному определению: массу и заряд электрона. Эти методы так называемой перенормировки используются и поныне. И несмотря на неодобрение Дирака, квантовая электродинамика – все еще часть оснований физики.

Закруглим мой исторический экскурс: эстетические критерии работают до тех пор, пока не перестают работать. Возможно, самое убедительное доказательство того, что полагаться на прошлый опыт и руководствоваться чувством прекрасного неэффективно, состоит в следующем: ни один физик-теоретик не получал Нобелевскую премию дважды[31].

Зачем доверять теоретику?

Декабрь. Я в Мюнхенском центре математической философии на конференции, обещающей дать ответ на вопрос «Зачем доверять теоретику?». Мероприятие организовано австрийским философом Рихардом Давидом, чья последняя книга «Теория струн и научный метод» вызвала среди физиков некоторое беспокойство ⁴⁶.

Теория струн – сегодня самый популярный кандидат на роль единой теории взаимодействий. Она гласит, что Вселенная и все, что в ней есть, состоит из крошечных вибрирующих струн, которые могут быть замкнуты сами на себя или иметь свободные концы, могут растягиваться и закручиваться, сливаться и разделяться. И это объясняет все: вещество, пространство-время и, да, вас тоже. По крайней мере, такова идея. Экспериментальных свидетельств, говорящих в пользу теории струн, пока нет. Историк Хельге Крах, тоже присутствующий на конференции, сравнил теорию струн с вихревой теорией атома ⁴⁷.

Рихард Давид в своей книге привел теорию струн как пример, иллюстрирующий «неэмпирическую оценку теории», имея в виду, что способность описывать наблюдения – не единственный критерий для выбора хорошей теории. Он утверждает, что определенные критерии, не опирающиеся на наблюдения, тоже философски обоснованны, и делает вывод, что научный метод следует скорректировать так, чтобы гипотезы можно было оценивать с чисто теоретической точки зрения. В качестве критериев такой неэмпирической оценки Рихард перечисляет – и все это аргументы, традиционно приводимые сторонниками теории струн в ее поддержку, – (1) отсутствие альтернативных объяснений, (2) использование математики, которая работала раньше, и (3) открытие неожиданных связей.

Рихард не говорит прямо уж, что эти критерии следует применять, скорее просто указывает на то, что они применяются, и обеспечивает им оправдывающие основания. Поддержку философа специалисты по теории струн встретили с одобрением. Остальные – в меньшей степени.