Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик

Я спрашиваю Горди: «Думаете ли вы, что элегантность теории – это что-то такое, чему теоретики уделяют внимание и о чем им следует заботиться?»

«Да, они уделяют этому внимание. Я уделял, – отвечает он. – Потому что так приятнее работать, это распаляет». Он ненадолго замолкает. «Не уверен насчет “следует”. Условно говоря, мне следует делать то, чем мне нравится заниматься. Но “следует” – больше ощущение, чем логический принцип. Если есть способ лучше, кому-то другому следует им заняться. Но я сомневаюсь, что есть способ лучше, а этот хорош».

ВКРАТЦЕ

• Ученые с давних пор использовали красоту в качестве руководящего принципа. Он не всегда оказывался верным.

• В теоретической физике симметрии принесли очень большую пользу. Теперь они считаются красивыми.

• Специалисты по физике элементарных частиц также думают, что теория красива, если содержит «естественные» числа – близкие к единице. Неестественное число называют «тонко настроенным».

• Если нам не хватает данных и нужна теория, чтобы решить, где искать новые, ошибки при разработке теории могут завести в тупик.

• Некоторые философы предлагают ослабить требования к научному методу так, чтобы ученые могли выбирать теории по критериям, не связанным со способностью теории объяснить наблюдения.

• Вопросы о том, как быть дальше, несмотря на отсутствие данных, и подправить ли научный метод, актуальны и за рамками оснований физики.

Глава 3 Союзное положение

В которой я обобщаю десять лет обучения на тридцати страницах и рассуждаю о счастливых деньках физики элементарных частиц.

Мир согласно физикам

Самый потрясающий факт о физике высоких энергий состоит в том, что вы можете преуспеть, ничегошеньки о ней не зная.

Возьмем кальций, один из элементов наших костей. Атом кальция состоит из 20 нейтронов и 20 протонов, которые связаны вместе в атомном остове – также называемом «ядро», – окруженном 20 электронами. Электроны являются фермионами и образуют отдельные оболочки вокруг ядра. Именно структура этих оболочек и определяет химические свойства кальция (рис. 2).

Вместе с тем протоны и нейтроны в ядре не сидят смирно, они постоянно в движении: перемещаются и сталкиваются друг с другом, испуская и поглощая особые частицы – переносчиков взаимодействия, – которые удерживают их вместе. Покоя в субатомном мире не бывает никогда. И тем не менее, невзирая на непрерывное движение, все атомы кальция ведут себя одинаково. К счастью для вас – ведь в противном случае ваши кости могли бы развалиться.

Рис. 2.

Оболочечная модель атома, в которой электроны (e) располагаются на отдельных оболочках вокруг атомного ядра, состоящего из протонов (p) и нейтронов (n). Это пример разделения масштабов. Что делают частицы внутри ядра – не влияет на электронные оболочки и химические свойства атома.

Интуитивно вы всю свою жизнь знали: что бы ни делали нейтроны внутри атомов, все это не может быть таким уж важным, иначе вы бы об этом слышали. Однако по существу подобное отсутствие влияния совершенно поразительно. Учитывая превеликое множество отдельных компонентов, почему вся эта подструктура атома не порождает поведение, которое чрезвычайно сложно объяснить? Почему все атомы так похожи? Многочисленные частицы, из которых те состоят, каждая занимается своим делом, однако же атомы подчиняются удивительно простым законам – настолько простым, что атомы могут быть четко сгруппированы в периодической таблице, построенной исключительно на структуре электронных оболочек.

Похоже, природа безмерно доброжелательно относится к нашей жажде понять. Что бы ни происходило в ядре – остается в ядре; мы видим только суммарный эффект. Некоторые атомы связываются с водородом, другие нет – но то, что конкретно происходит в ядре, не имеет отношения к этой связи. Одни атомы формируют правильные кристаллические решетки, другие нет – и то, что творится в ядре, не влияет на строение кристаллической решетки.