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

Предисловие

Вы держите в руках третий сборник моих очерков для широкого круга читателей, опубликованный издательством Harvard University Press. Часть очерков посвящена таким спорным вопросам, как вред неравенства, бессмысленность программ пилотируемых космических полетов, ошибочность некоторых подходов к истории науки, опасность глобального потепления и важность поддержки общественных благ, к числу которых относится и фундаментальная наука. Как и раньше, в своей работе я придерживаюсь рационалистической, реалистической, редукционистской и совершенно светской позиции.

В части очерков я попытался осветить, не прибегая к строгой терминологии, некоторые вопросы современной физики и космологии, а также историю их развития. Понятия, смысл которых может быть не очевиден из текста, разъясняются в сносках. Боюсь, мои постоянные читатели обнаружат, что некоторые научные темы кочуют из одного очерка в другой, например нарушение симметрии, слабые и сильные ядерные взаимодействия, ранняя Вселенная и Мультивселенная. С этим ничего не поделать — сегодня эти вопросы занимают умы многих физиков.

Как и материалы предыдущих сборников — Facing Up и Lake Views, большая часть представленных здесь очерков была опубликована в журнале The New York Review of Books, в газетах и других периодических изданиях. Главы 20, 23 и 25 содержат не издававшиеся ранее тексты моих кратких выступлений на университетских церемониях вручения дипломов. Текст главы 24 также раньше нигде не публиковался, поскольку все, кто его прочел, высказывали свое несогласие с изложенными в нем мыслями, но мне нравится этот очерк, поэтому я включил его в сборник.

В этой книге я нарушил правило хронологического упорядочивания очерков, которого придерживался в своих предыдущих сборниках. Здесь я сгруппировал тексты в четыре больших раздела и разместил главы в хронологическом порядке в пределах каждого раздела. Однако не стоит воспринимать эти разделы слишком серьезно. Обсуждая исторические вопросы в первом разделе, мне приходится объяснять некоторые вопросы физики и астрономии, а во втором разделе мне не удалось рассказать о физике и астрономии, не высказав мнения об их истории. Как наука, так и ее история появляются то тут, то там в третьем и четвертом разделах, посвященных общественным и личным интересам.

Я в огромном долгу перед редакторами, которые помогли мне донести эти очерки до широкого круга читателей. В частности, я благодарен Майклу Фишеру, предположившему что Harvard University Press может издать сборник моих очерков, я благодарен Джеффу Дину за отличный совет и за то, что он пролистал этот сборник до его публикации, а также я благодарен ушедшему от нас Роберту Сильверсу, который проявил огромное терпение и мастерство во время работы над улучшением текстов моих статей в The New York Review of Books. Я не упущу возможность выразить особую благодарность Луизе Вайнберг. В ущерб собственной работе она читала первые черновики статей, придумывала им названия, а также книгам Facing Up и «Объясняя мир»[1] (To Explain the World), предложила использовать картину Гримшоу на обложке этого сборника и давала ценные советы по структурированию материала. Благодаря ее помощи удалось избавиться от «детских» ошибок и многих неясностей.

Судя по прошлому опыту, при моей продуктивности написание статей и подготовка материала для нового сборника занимает лет десять. Тем не менее я надеюсь, что этот сборник будет не последним. Но, учитывая статистические данные, возможно, сейчас самое подходящее для меня время дописать сюда слова благодарности читателям, которые много лет принимали мои мнения и трактовки и таким образом обеспечивали мне драгоценную связь с миром за пределом теоретической физики.

I. История науки

1. О пользе астрономии

Идея этого эссе родилась на лекции, которую я прочитал на борту парусного лайнера Sea Cloud во время круиза по Эгейскому морю. Пассажирами лайнера были преимущественно мои друзья из Остина, путешествующие по памятным местам Древнего мира. Следуя духу этого морского путешествия, я вызвался прочитать лекцию по теме, занимавшей последнее время мое внимание, — о греческой астрономии.

Спустя несколько лет я переработал материал той лекции для публичного выступления в Центре Гарри Рэнсома[2] в Остине. В Центре собрана великолепная коллекция литературных и художественных экспонатов, но не слишком много внимания уделяется науке. Тем не менее в сентябре 2009 г. Центру удалось организовать масштабную выставку под названием «Другие миры: Малоизвестные работы по астрономии», где были представлены среди прочих ранние издания трудов Коперника и Галилея. Будучи увлеченным любителем истории науки, я с радостью откликнулся на приглашение выступить с лекцией, которая могла бы привлечь внимание к этой выставке. Кроме того, я был рад представившейся возможности пройтись с критикой по расточительной программе пилотируемых космических полетов NASA — предмету моей особой ненависти.

Позже я отправил текстовую версию выступления в редакцию журнала The New York Review of Books. Через месяц, 22 октября 2009 г., статью опубликовали. Для сопроводительной иллюстрации была использована копия одного из экспонатов выставки Центра Гарри Рэнсома, а именно фронтиспис важнейшего сочинения Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира», на котором были изображены Аристотель, Птолемей и Коперник. Эссе, которое вы читаете, фактически, воспроизводит текст той статьи с небольшими исправлениями. Позже этот же текст лег в основу главы 6 моей книги «Объясняя мир».

Несколько лет назад я решил, что должен расширить свои познания в области истории науки, поэтому добровольно вызвался преподавать этот предмет. Работая над материалом своих лекций, я с огромным удивлением выяснил, что в Древнем мире астрономия достигла по современным меркам гораздо более высокого уровня точности и сложности, чем любая другая из естественных наук. Одна из очевидных причин для такого развития состоит в том, что астрономические явления гораздо проще и доступнее для изучения, чем те процессы, которые мы можем наблюдать на земной поверхности. Древние этого не знали, но и Земля, и Луна, и все планеты вращаются почти с постоянной скоростью и перемещаются по своим орбитам под воздействием одной-единственной доминирующей силы — гравитации. В результате наблюдаемые изменения в видимой части неба просты и периодичны: Луна размеренно прибывает и убывает; Солнце, Луна и звезды ежедневно совершают оборот вокруг полюса мира; и каждый год Солнце проходит через одни и те же созвездия зодиакального круга[3]. Даже располагая примитивными приборами, эти периодические изменения можно изучать, что и делалось с высокой степенью математической точности, гораздо большей, чем это было возможно в отношении процессов на Земле, таких как полет птицы или течение воды в реке.

Однако существовала и другая причина, благодаря которой астрономия стала столь выдающейся наукой в Древние и Средние века. Она приносила практическую пользу, в отличие от физики и биологии тех времен. Издревле люди использовали видимое движение Солнца как примитивные часы, календарь и компас. Эти функции стали выполняться точнее с появлением гномона (вероятно, первого научного прибора), изобретение которого одни приписывали Анаксимандру, другие — вавилонянам.

Гномон представляет собой прямой шест, вертикально установленный на горизонтальной площадке, открытой для солнечных лучей. В течение дня длина тени, отбрасываемой гномоном, меняется, и, если она минимальна, значит, наступил полдень. На широте Греции или Месопотамии полуденная тень гномона указывает на север, что позволяет точно разметить шкалу компаса на земле вокруг гномона. Наблюдая изо дня в день за полуденной тенью, можно отметить те дни, когда ее длина минимальна и максимальна. Так определяются точки летнего и зимнего солнцестояния. По длине полуденной тени в точке летнего солнцестояния рассчитывается географическая широта. Весной и летом тень на закате указывает немного южнее направления на восток, а осенью и зимой — немного севернее; когда тень на закате направлена строго на восток, это означает, что наступило весеннее или осеннее равноденствие[4].

Используя гномон в качестве календаря, афинский астроном Евктемон примерно в 430 г. до н. э. совершил открытие, беспокоившее астрономов на протяжении 2000 лет: продолжительность четырех времен года, начало и конец которых в точности определяются точками солнцестояния и равноденствия, немного отличается. Этот факт исключает вероятность того, что Солнце обращается вокруг Земли (или Земля вокруг Солнца) по кругу, в центре которого расположена Земля, с постоянной скоростью, поскольку в таком случае равноденствия и солнцестояния были бы равномерно распределены во времени. Это открытие стало одной из причин, по которой Гиппарх Никейский, величайший астроном Древнего мира, примерно в 150 г. до н. э. счел необходимым ввести идею эпициклов, согласно которой Солнце (и планеты) движутся по круговым орбитам, центры которых тоже движутся по окружностям вокруг Земли. Тремя веками позже Клавдий Птолемей подхватил и развил эту идею.

Даже Коперник, убежденный в том, что орбиты представляют собой окружности, сохранил верность идее эпициклов. И только в начале XVII в. Иоганн Кеплер наконец нашел объяснение явлению, для описания которого Гиппарх и Птолемей использовали эпициклы. Орбита Земли относительно Солнца представляет собой не окружность, а эллипс; Солнце находится не в центре эллипса, а в точке, называемой фокусом эллипса; скорость движения Земли по орбите не постоянна, она увеличивается по мере приближения к Солнцу и уменьшается с удалением от него.

У тех методов использования наблюдений за Солнцем, о которых я рассказал выше, есть свои ограничения. Определять время суток или направление по Солнцу можно, конечно, только в течение светового дня, а до появления гномона по годовому движению Солнца о времени года можно было судить довольно смутно. С самых древних времен этот недостаток восполняли звезды. Еще Гомер знал, что ночью компасом служат звезды. В поэме «Одиссея» Калипсо дает Одиссею указания, как отправиться от ее острова на восток к Итаке: нужно держать Медведицу по левую руку. Медведица — это, конечно, созвездие Большой Медведицы, расположенное около Северного полюса небосклона и на широте Средиземноморья никогда не скрывающееся за горизонтом (или, как у Гомера, «…лишь одна непричастна к купанью в волнах Океана»[5]). Направляя корабль так, чтобы север оставался слева, Одиссей плыл бы на восток, в сторону своего дома[6].

К звездам обращались и как к календарю. По всей видимости, древние египтяне довольно рано научились предсказывать разлив Нила, наблюдая за восходом звезды Сириус. Примерно за 700 лет до н. э. древнегреческий поэт Гесиод в поэме «Труды и дни» советовал земледельцам браться за плуг, сверяясь с положением звездного скопления Плеяды на небе, а именно в тот день года, когда Плеяды появляются из-за горизонта прямо перед рассветом.

Наблюдения позволили многим древним цивилизациям заметить, что существует пять «звезд» (греки назвали их планетами), которые в течение года перемещаются по небу на фоне всех других звезд, при этом их путь повторяет видимый путь Солнца по зодиакальному поясу, но иногда они начинают двигаться вспять. Над задачей описания этого движения астрономы бились тысячелетиями, и в результате многовековых усилий появился труд Исаака Ньютона, который ознаменовал рождение современной физики.

Астрономия была полезна и важна не только потому, что концентрировала свое внимание на Солнце, звездах и планетах и таким образом способствовала совершению научных открытий. Практическое применение также имело важное значение для развития науки, ведь когда научная теория используется не просто для размышлений, а действительно применяется в жизни, это дает огромные преимущества. Если бы Калипсо посоветовала Одиссею держать по левую руку Луну, он бы плавал кругами и не смог вернуться домой. И наоборот, аристотелевская теория движения небесных тел пережила Средние века только потому, что она никогда не применялась на практике, иначе ее несостоятельность была бы обнаружена. Астрономы пытались применить планетарную систему Аристотеля (ее основы были заложены учеником Платона Евдоксом Книдским и его последователем Каллиппом Кизикским), согласно которой Солнце, Луна и планеты двигались по взаимосвязанным прозрачным сферам, в центре которых находится Земля, — теорию, согласующуюся (в отличие от теории эпициклов) с аристотелевской физикой.

И выяснилось, что эта теория не работает. Например, с ее помощью нельзя объяснить изменение во времени яркости планет — изменение, которое Птолемей совершенно правильно связал с тем, что расстояние между планетами и Землей непостоянно. Благодаря авторитету философии Аристотеля многие философы и физики (но лишь немногие практикующие астрономы) оставались верны его теории Солнечной системы на протяжении всей Античности и Средних веков, однако во времена Галилея всерьез ее уже никто не воспринимал. В своей работе «Диалог о двух главнейших системах мира» Галилео обсуждал системы Птолемея и Коперника, но не Аристотеля.

Существовала и еще одна причина, по которой практическая польза астрономии была важна для развития науки: благодаря ей научные исследования получали государственную поддержку. Первым отличным примером был Александрийский мусейон, основанный греческими царями Египта на заре эпохи эллинизма около 300 лет до н. э. Он не был музеем в современном смысле, то есть местом, куда можно прийти, чтобы поглазеть на древности и картины. Александрийский музей был исследовательским учреждением, посвященным музам, в том числе музе астрономии Урании. Цари Египта поддерживали исследовательские работы по созданию катапульт и других артиллерийских орудий, а также летающих снарядов, проводившиеся в Александрии, предположительно в Музее, но вместе с тем Музей финансировал работу Аристарха Самосского, определившего размеры Солнца и Луны и расстояния до них, и работу Эратосфена Киренского, измерившего длину большой окружности поверхности Земли. Музей стал первым в ряду исследовательских центров с государственной поддержкой, среди которых можно назвать Дом мудрости, основанный примерно в 830 г. халифом ал-Мамуном в Багдаде, и обсерваторию Тихо Браге Ураниборг на острове, пожалованном ученому датским королем Фредериком II в 1576 г. Традиция государственной поддержки научных исследований продолжается и в наши дни. Например, лаборатория ядерных исследований CERN и Фермилаб или космические телескопы, такие как Hubble, WMAP и Planck, запущенные в космос NASA и Европейским космическим агентством.

Фактически в прошлом астрономия выигрывала от того, что ее польза была слишком высоко оценена. Наследие вавилонской и эллинистической эпох — это не только серьезный корпус точных астрономических наблюдений (и еще, наверное, гномон), но и псевдонаука астрология. Птолемей был автором не только великого научного трактата «Альмагест», но еще и книги по астрологии «Тетрабиблос». В Средние века и в начале Нового времени поддержка работ по составлению астрономических таблиц царями во многом определялась тем, что эти таблицы использовались астрологами. Кажется, это противоречит тому, что я сказал о важности правильного применения научного знания, однако астрологи в основном использовали астрономию корректно, по крайней мере в том, что касается видимого движения планет и звезд, и они могли оправдывать неудачи в описании человеческих отношений туманностью формулировок своих предсказаний.

Практическая сторона астрономии увлекала не всех. В диалоге Платона «Государство» обсуждается среди прочего образование, которое должны получать будущие цари-философы. Сократ полагает, что астрономия обязательно должна изучаться, а его собеседник Главкон поспешно соглашается, поскольку «внимательные наблюдения за сменой времен года, месяцев и лет пригодны не только для земледелия и мореплавания, но не меньше и для руководства военными действиями»[7]. Бедный Главкон Сократ называет его наивным и объясняет, что настоящая причина для изучения астрономии состоит в том, что эта наука заставляет разум взирать ввысь и размышлять о вещах более величественных, чем наш будничный мир.

Основная область моих собственных исследований — физика элементарных частиц — не имеет прямого практического применения[8], понятного всем (хотя сюрпризы всегда возможны), поэтому лично для меня невелика радость говорить о важности прикладного аспекта в историческом развитии науки. Сегодня в фундаментальной науке, вроде физики частиц, выработаны стандарты верификации, которые делают практическое применение необязательным для проверки нашей правоты (ну, или нам так кажется), и ученые работают без оглядки на практическое применение, только ради интеллектуального удовлетворения. Однако фундаментальным исследованиям по-прежнему приходится конкурировать за государственную поддержку с прикладными науками, такими как химия и биология, практическая польза которых очевидна.

К сожалению, аргументы в борьбе за поддержку астрономии, построенные на тех ее практических применениях, о которых я говорил выше, совершенно устарели. Теперь для отсчета времени мы используем атомные часы, настолько точные, что мы можем измерить малейшие изменения в длительности суток и года. Текущую дату мы узнаем, взглянув на наручные часы или экран компьютера. А недавно звезды потеряли свою значимость и для навигации.

В 2005 г., путешествуя на борту парусного лайнера Sea Cloud, совершавшего круиз по Эгейскому морю, как-то вечером я обсуждал с капитаном корабля вопросы навигации. Он показал мне, как пользоваться секстантом и хронометром для определения координат в море. Измеряя секстантом угол между горизонтом и положением определенной звезды в известный, благодаря хронометру, момент времени, можно определить, что ваше судно должно находиться где-то на заданной кривой на карте Земли. Проведя измерение с другой звездой, можно получить еще одну кривую, точка пересечения которой с первой кривой и укажет ваше местоположение. Если повторить процедуру c третьей звездой, можно проверить, не совершили ли вы ошибку: третья кривая должна пересечь первые две в той же точке. Продемонстрировав все это, мой друг капитан посетовал, что молодые офицеры торгового флота уже не умеют определять свое местоположение с помощью хронометра и секстанта. Из-за появления спутниковых систем глобального позиционирования навигация по звездам стала ненужной.

У астрономии осталось одно полезное назначение: она сохранила ключевую роль в нашем познании законов природы. Как я упоминал, именно задача о движении планет привела Ньютона к открытию законов движения и закона всемирного тяготения. Тот факт, что атомы поглощают и излучают свет только определенных длин волн, был обнаружен в начале XIX в. в результате изучения спектра Солнца, а впоследствии, уже в XX в., это открытие привело к развитию квантовой механики. Кроме того, в XIX в. эти наблюдения за Солнцем позволили открыть новые, прежде неизвестные, химические элементы, например гелий. В начале XX в. общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) была проверена на астрономических объектах — сначала на основе сравнения теоретических расчетов с наблюдаемым движением планеты Меркурий, а затем благодаря успешному предсказанию отклонения света звезд гравитационным полем Солнца.

После экспериментального подтверждения ОТО источник данных, обеспечивающий прогресс фундаментальной физики, на некоторое время сместился из области астрономии сначала в область атомной физики, а затем, в 1930-х гг., в область ядерной физики и физики элементарных частиц. Однако прогресс в физике частиц замедлился после создания в 1960–1970-х гг. Стандартной модели элементарных частиц, которая обобщала все имеющиеся на тот момент данные об их поведении. Единственное открытие, сделанное за последние годы в этой области, которое выходит за рамки Стандартной модели, — определение мизерных масс различных типов нейтрино, и это открытие имеет некоторое отношение к астрономии, поскольку исследовались нейтрино, испускаемые Солнцем.

Между тем сегодня мы живем в золотой век космологии, как бы банально это ни звучало. Астрономические наблюдения и космологическая теория подкрепляют друг друга, и сегодня мы с полной уверенностью можем сказать, что Вселенная в своей текущей фазе расширения существует 13,73 млрд лет с ошибкой, не превышающей 0,16 млрд лет. Эти исследования показали, что только 4,5 % всей энергии Вселенной приходится на обычное вещество — электроны и атомные ядра. Примерно 23 % всей энергии запасено в массе темной материи — частиц, которые не взаимодействуют с обычным веществом или излучением и о существовании которых мы можем судить только по воздействию создаваемых ими гравитационных сил на вещество и свет. Большая часть энергетического баланса Вселенной — около 72 % — это темная энергия, которая запасена не в форме массы частиц какого-либо типа, а в самом пространстве, и именно она ускоряет расширение Вселенной. Объяснение темной энергии сегодня является сложнейшей задачей физики элементарных частиц.

Несмотря на эти перспективы, и астрономии, и физике частиц все тяжелее бороться за государственную поддержку. В 1993 г. конгресс США отменил программу строительства ускорителя — Сверхпроводящего суперколлайдера (Superconducting Super Collider, SSC). В этом ускорителе можно было бы получить новые частицы с массами в более широком диапазоне значений, в том числе, возможно, и частицы темной материи. Европейский консорциум CERN подхватил эту задачу, но его новый ускоритель — Большой адронный коллайдер (БАК) — сможет работать с частицами, диапазон значений масс которых втрое уже, чем тот, которого можно было бы достичь на SSC, а финансирование строительства следующего после БАК ускорителя становится все менее вероятным. Что касается астрономической науки, то здесь NASA урезало программы Beyond Einstein и Explorer — главные программы астрономических исследований, вроде тех, что обеспечили огромный прогресс последних лет в космологии.

Конечно, есть множество проблем, достойных государственной поддержки. Что особенно возмущает многих ученых, так это существование чрезвычайно дорогостоящих программ NASA, которые зачастую только прикидываются наукой[9]. Я имею в виду, конечно, программу пилотируемых космических полетов. В 2004 г. президент Буш объявил «новое перспективы» для NASA — возвращение астронавтов на Луну, за которым последует пилотируемая миссия на Марс. Через несколько дней дирекция по космическим наукам NASA сообщила о сокращении своих программ автоматических полетов Beyond Einstein и Explorer, объяснив это тем, что они не поддерживают новые планы президента.

Астронавты не слишком эффективны для научных исследований. На средства, которые потребуются для безопасной доставки астронавтов на Луну или планеты и возвращение их обратно, можно отправить сотни роботов, чьи исследовательские возможности намного шире. Астронавты на орбитальных астрономических обсерваториях будут создавать вибрации и излучать теплоту, что повредит чувствительным астрономическим наблюдениям. Все космические станции, благодаря которым в последние годы был достигнут прогресс в космологии, например Hubble, COBE, WMAP или Planck, управляются автоматически. На обитаемой Международной космической станции (МКС) не было выполнено никаких значительных для науки исследований, и трудно себе представить такую важную работу, которую нельзя было бы выполнить дешевле на автоматическом оборудовании.

Часто можно услышать, что пилотируемые космические полеты необходимы для науки, поскольку без них общество не поддержит ни одну космическую программу[10], в том числе и автоматические миссии, вроде Hubble и WMAP, в рамках которых и делается настоящая наука. Я в этом сомневаюсь. Я считаю, что существует значительный интерес к астрономии в целом и к космологии в частности, который мало связан со зрелищным «спортом» пилотируемых космических полетов. В качестве иллюстрации приведу слова Клавдия Птолемея, которыми и завершу эту главу:

Знаю, что смертен, что век мой недолог, и все же —

Когда я сложный исследую ход круговращения звезд,

Мнится, земли не касаюсь ногами, но, гостем у Зевса,

В небе амвросией я, пищей бессмертных, кормлюсь[11].

2. Искусство открытия

Философское общество Техаса было основано Сэмом Хьюстоном и его друзьями в первый год независимости Республики Техас. Первым президентом общества (1837–1859) стал Мирабо Бонапарт Ламар, позже сменивший Хьюстона на посту президента Техаса. Вскоре после создания Философское общество фактически прекратило свою деятельность, до возрождения в 1937 г. С тех пор количество членов общества непрерывно растет. Теперь в нем состоят академики, журналисты, политики, владельцы ранчо (скотопромышленники), писатели, артисты, бизнесмены и даже несколько философов. Ежегодно члены общества собираются в разных городах Техаса, чтобы послушать доклады на темы, выбранные действующим президентом, и встретиться со старыми друзьями. Будучи членами общества, мы с женой имели возможность посетить такие города Техаса, как Абилин, Корпус-Кристи, Форт-Уэрт, Кервилл и Ларедо, которые лежат за пределами наших обычных маршрутов, а также и более знакомые места вроде Далласа и Хьюстона. В 1994 г. я удостоился чести исполнять обязанности президента и провести в Остине встречу, посвященную вопросам космологии.

В 2009 г. члены Философского общества снова собрались в Остине. Темой встречи президент того года Майкл Джиллетт выбрал искусство в Техасе. Были проведены сессии по искусству обучения, искусству выражения и искусству искусств. Я выступил с лекцией, текст которой стал основой для этой главы, на сессии по искусству открытия. Философское общество публикует сборники докладов со своих встреч, но не слишком быстро; доклады со встречи 2009 г., среди которых было и мое выступление, в итоге были изданы в 2014 г.

Платон полагал, что главным способом познания мира является размышление о нем. В диалоге Платона «Законы» есть интересная дискуссия об астрономии. Платон признает, что, возможно, астрономам было бы полезно изредка поглядывать на небо, но только для того, чтобы сосредоточить свой разум, точно так же, как математикам полезно рисовать схемы при доказательстве геометрической теоремы, однако настоящая работа по совершению открытий в науке, как и в математике, должна быть исключительно мыслительной. Платон был не прав на этот счет, как и во многих других вопросах.

Диаметрально противоположной точки зрения придерживался Фрэнсис Бэкон, лорд-канцлер Англии при короле Якове I. Бэкон мог многое рассказать о науке, общественный интерес к которой тогда только начал проявляться. Он считал, что в науке работает исключительно эмпирический метод. Необходимо проводить эксперименты и непредвзято, без каких-либо предубеждений, изучать любые вопросы мироздания, доступные для анализа, и тогда истина постепенно проявится. Он тоже был не прав.

Истина, как мы выяснили по прошествии столетий, состоит в том, что научное открытие неизбежно требует взаимодействия теории и эксперимента (наблюдения). Теория нужна, чтобы направлять эксперимент к цели и интерпретировать полученные результаты. Эксперимент необходим не только для подтверждения или опровержения теории, но и для того, чтобы наполнять ее смыслом. Они идут вместе нераздельно.

В некоторых областях науки, особенно в сфере моих научных интересов — физике элементарных частиц, две роли ученых тем не менее заметно отличаются. Требования теоретического и экспериментального разделов физики стали настолько высокими и узкоспециальными, что со времен Энрико Ферми больше не было ни одного ученого, кто мог бы одинаково эффективно работать и как теоретик, и как экспериментатор. Я теоретик, поэтому я могу описать вам искусство научного открытия только с одной стороны.

Будучи теоретиками, мы воодушевляемся встающими перед нами загадками. Иногда эти загадки появляются в результате экспериментальных открытий. Вот вам классический пример. В конце XIX в. экспериментаторы искали способ измерить зависимость наблюдаемой скорости света от движения Земли. Земля движется вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с; скорость света составляет примерно 300 000 км/с, поэтому было сделано предположение, что скорость света должна изменяться в пределах 0,01 % в зависимости от времени года, поскольку летом Земля движется в одном направлении, а зимой — в обратном. Считалось, что свет — это колебания среды, получившей название «эфир» и даже если Солнечная система движется сквозь эфир, Земля не может быть неподвижной относительно эфира и зимой и летом. Зависимость скорости света от движения Земли пытались обнаружить, но так и не нашли. Физики столкнулись с пугающей загадкой, которая (вместе с рядом других тайн) в итоге вдохновила Эйнштейна сформулировать новый взгляд на природу пространства и времени — теорию относительности.

Однако иногда сами физические теории ставят перед нами интригующие загадки. Например, в конце 1950-х гг. стало очевидно, что наша теория слабого ядерного взаимодействия прекрасно описывает все существующие экспериментальные данные, связанные с этой силой. (Силы слабого ядерного взаимодействия приводят к такому типу радиоактивного распада, при котором частица внутри ядра, скажем нейтрон или протон, превращается в другую частицу, протон или нейтрон, и излучает быстрый позитрон или электрон. Кроме того, именно эта сила запускает последовательность реакций, разогревающих Солнце.) Эксперименты, связанные со слабым ядерным взаимодействием, не содержали никаких загадок. Проблема возникла, когда эту теорию попытались применить к другим явлениям, которые не наблюдались в экспериментах. (Один из таких процессов, который мы, вероятно, никогда не сможем наблюдать, — столкновение между собой очень слабо взаимодействующих частиц, называемых нейтрино.) Когда теорию слабого взаимодействия применили для описания таких процессов, результат получился абсурдным; теория предсказывала бесконечные вероятности. Не слишком мудрый вывод о природе, на самом деле — просто бессмыслица. Очевидно, была нужна новая теория, такая, которая сохраняла бы достижения уже существующей, но при этом не давала бы абсурдных ответов на вполне разумные вопросы, даже если эти вопросы относятся к экспериментам, которые никогда не проводились и, вероятно, никогда не будут осуществлены. Я и другие физики-теоретики работали над этой проблемой в 1960-х гг., и в итоге мы нашли такую теорию. Оказалось, что новая теория не только описывает слабое ядерное взаимодействие, но является универсальной теорией, применимой и к более привычным силам, к электромагнетизму. Кроме того, новая теория предсказала существование нового типа слабого взаимодействия, который впоследствии был обнаружен в экспериментах с частицами высоких энергий. Но не эксперимент привел к созданию этой теории.

Иногда мы сталкиваемся с загадками в тех теориях, которые согласуются со всеми данными наблюдений и не имеют внутренних противоречий, но при этом являются очевидно неудовлетворительными, поскольку содержат слишком много произвольных параметров. Фактически сейчас мы столкнулись именно с этой проблемой. У нас есть теория, объединяющая сильное взаимодействие (силы которого удерживают вместе кварки внутри частиц атомного ядра) с электромагнитным и слабым взаимодействием. Теория, получившая название Стандартной модели, объясняет все эффекты, которые мы можем измерить в наших научных лабораториях физики элементарных частиц. Она дает идеальные конечные и разумные результаты, когда мы используем ее для расчетов, и при этом теория остается неудовлетворительной, поскольку слишком большое количество параметров модели приходится подбирать, чтобы согласовать результаты расчетов с экспериментальными данными. Например, в Стандартной модели есть шесть типов частиц, которые называются кварками. Почему их шесть? Почему не четыре или восемь? Ответа нет. Почему у этих частиц именно такие свойства? Самый тяжелый из кварков примерно в 100 000 раз тяжелее самого легкого. Мы не знаем, чем обусловлена такая разница в массе; ее значения подбираются просто для подгонки под эксперимент. В этом нет никаких противоречий; теория согласуется с экспериментом, только, очевидно, не дает окончательных ответов.

Есть в этой «кунсткамере» и свой «слон»: гравитация вообще никак не учтена в Стандартной модели. В принципе, у нас есть достаточно правдоподобная теория гравитации — ОТО Эйнштейна, которая отлично работает в отношении всех наблюдаемых явлений, но все же и она приводит к бессмысленным результатам, когда рассматриваются системы с экстремальными энергиями. Такие энергии невозможно получить в лабораторных условиях, но мы можем мысленно моделировать подобные состояния, и, когда мы используем для этого теорию гравитации, перед нами встают новые загадки.

Начиная с 1970-х гг. мы располагаем теорией слабого, электромагнитного и сильного взаимодействия, имеющей слишком много произвольных параметров, и теорией гравитации, которую невозможно распространить на системы с экстремально высокими значениями энергии. И мы застряли в этом состоянии, поскольку наши ускорители элементарных частиц не приносят новых данных, которые загадывали бы нам новые загадки и подпитывали наше воображение. Одной из причин тому стало решение конгресса отказаться от строительства большого ускорителя в Техасе, того самого Сверхпроводящего суперколлайдера.

Теперь мы надеемся на получение значительных результатов на Большом адронном коллайдере, новом ускорителе, который только начинает работать в Европе. БАК представляет собой круговой туннель длиной 26,7 км, расположенный на границе между Францией и Швейцарией на глубине около 150 м. В этом туннеле два пучка протонов разгоняются по кругу в противоположных направлениях и затем сталкиваются. Мы надеемся, что, изучая происходящие при этих столкновениях процессы, мы совершим новые открытия, которые либо помогут нам решить уже существующие загадки, либо явят новые захватывающие головоломки.

Недавно были выполнены первые эксперименты по столкновению двух пучков частиц. Пока количество частиц в пучках и энергии столкновения недостаточно велики, чтобы можно было обнаружить какие-то новые эффекты, но мы возлагаем большие надежды на БАК в ближайшей перспективе.

Я уже говорил, что я теоретик. Я не работаю на БАК. Я был там в июле, и мне показали один из четырех огромных детекторов частиц, расположенных вдоль кольцевого туннеля в местах, где сталкиваются частицы. Детектор ATLAS, который я видел, производит сильное впечатление. Представьте себе зал приемов — вот примерно в таком помещении установлен детектор ATLAS. У меня на самом деле возникло чувство, будто я нахожусь в кафедральном соборе.

У меня нет тех навыков и опыта, которыми обладают экспериментаторы, работающие на БАК, однако я с уверенностью могу сказать, чем они занимаются. Я надеюсь, что их открытия выведут нас из застоя, в котором мы пребываем уже несколько десятков лет. К примеру, существует чрезвычайно привлекательный принцип симметрии, известный как суперсимметрия. Этот принцип занимал внимание многих теоретиков последние 30 лет, но до сих пор не было ни единой крупицы доказательств. (Ладно, одна крупица все же существует, но она не слишком большая.) Мы надеемся, что в БАК удастся получить новые типы частиц, существование которых предсказано теорией суперсимметрии. Может оказаться, что свойства одного из таких типов частиц будут подходящими для объяснения темной материи, масса которой, по утверждениям астрономов, составляет 5/6 всей массы Вселенной. (Темную материю не стоит путать с еще более загадочной темной энергией. К сожалению, о темной энергии БАК, скорее всего, нам ничего не расскажет.) Если такие частицы удастся обнаружить, я полагаю, это станет триумфом физики в платоновском смысле. Что ж, поживем — увидим.

Итак, прямо сейчас мы переживаем переломный момент в истории фундаментальной физики. Больше всего мы надеемся на неизбежное возрождение перекрестного оплодотворения теории и эксперимента, которое было столь успешным в 1960-е и 1970-е гг. и с тех пор потеряло свою силу.

3. От Резерфорда до БАК

Каждый апрель в Вашингтоне проводятся встречи Американского физического общества. Время проведения встреч специально подобрано так, чтобы оно не совпадало с цветением вашингтонских японских вишен и повышенными ценами на проживание в отелях, которые сопровождают период цветения. В апреле 2011 г. отмечалось столетие одного из самых переломных событий современной физики — открытие Резерфордом атомного ядра. По этому поводу Физическое общество решило провести специальное заседание под названием «Столетие физики частиц». В этой главе приведен текст моей вступительной речи. Эта речь была опубликована в августе 2011 г. в журнале Physics Today, ежемесячном периодическом издании Американского института физики.

И выступление в Вашингтоне, и статья в Physics Today не изобиловали математикой и предназначались физикам, интересующимся историей науки, а не только специалистам в области физики элементарных частиц, поэтому я решил, что статья будет понятна и более широкой аудитории. Однако, перечитав текст, я обнаружил, что позволил себе использовать термины, такие как «спин» и «барион», которые могут потребовать пояснений для неспециалистов. По этой причине я добавил разъяснения в сносках, но сохранил основной текст статьи практически без изменений. Обсуждение некоторых вопросов на более доступном уровне можно найти в главе 11 этого сборника.

7 марта 1911 г. Эрнест Резерфорд принял участие в заседании Манчестерского литературно-философского общества — того самого, которому веком ранее Джон Дальтон докладывал об измерении массы атомов. На этой встрече Резерфорд объявил об открытии атомного ядра. Американское физическое общество решило отмечать в этот день начало века физики элементарных частиц.

Я считаю, что это мудрое решение. Одна из причин именно такого выбора состоит в том, что эксперимент, поставленный Хансом Гейгером и Эрнестом Марсденом, на результатах которого Резерфорд построил свои выводы о ядре, явился образцом для всех последующих экспериментов по рассеянию частиц, ставших с тех пор основным занятием для физиков. Только вместо пучков протонов или электронов из ускорителя Гейгер и Марсден использовали альфа-частицы радиоактивного распада радия, падающие на мишень из золотой фольги. А вместо проволочных, искровых или пузырьковых камер для обнаружения рассеянных частиц они воспользовались экраном, покрытым сульфидом цинка, который при столкновении с альфа-частицами дает яркие вспышки.

Что еще важнее, наблюдение рассеяния альфа-частиц на большие углы убедило Резерфорда, что основная часть массы и положительный электрический заряд сконцентрированы в малом объеме ядра атома. Раньше считалось, что атом представляет собой нечто вроде пудинга, в котором электроны распределены, как изюм среди равномерно размазанного положительного заряда. Открытие ядра стало первым в серии важных открытий, сделанных Нильсом Бором (который приезжал в Манчестер), Луи де Бройлем, Эрвином Шрёдингером и Вернером Гейзенбергом, которые и привели к созданию современной квантовой механики.

После этого бурного старта на пути квантовой механики образовалось два явных и существенных для развития фундаментальной физики препятствия. Одно из них связано с распространением принципов квантовой механики на частицы, скорость которых близка к скорости света, а значит, частицы должны подчиняться специальной теории относительности Эйнштейна (СТО). Поль Дирак обобщил волновое уравнение Шрёдингера и получил релятивистское волновое уравнение[12]. Тогда казалось, что предсказание существования дробного спина 1/2 у элементарных частиц — это огромная победа, однако теперь мы знаем, что это был скорее провал, чем успех[13]. Существуют частицы с целочисленным спином 1, например W- и Z-бозоны, которые являются такими же элементарными частицами, как электрон, и многие ученые считают, что на БАК будет открыта такая же элементарная частица с нулевым спином[14]. Кроме того, уравнение Дирака было крайне затруднительно приложить к системам, состоящим из более чем одного электрона. Будущее оказалось за квантовой теорией поля[15], созданной в результате совместной работы разных групп ученых, например команды Макса Борна, Гейзенберга и Паскуаля Йордана в 1926 г., Гейзенберга и Вольфганга Паули в 1926 г. и Паули и Виктора Вайскопфа в 1934 г. (Вайскопф как-то рассказал мне, что в одной из своих поздних статей Паули собирался показать ошибочность теории Дирака о необходимости дробного спина 1/2 и построить удобную и разумную теорию частиц с нулевым спином.) Квантовая теория поля впервые была применена Ферми в 1933 г. в его теории бета-распада, а затем стала математической основой для большей части успешных теорий элементарных частиц[16].

Второе очевидное препятствие было связано с атомным ядром. Высокий кулоновский барьер не позволял альфа-частицам, источником которых в лаборатории Резерфорда служил радий, проникать в атомное ядро[17]. Для решения именно этой проблемы началось развитие ускорителей частиц.

Прогресс в этих направлениях в 1930-е гг. был затруднен из-за странного нежелания теоретиков предлагать новые частицы. Вот три примера.

Во-первых, гладкое распределение электронов, испущенных в результате бета-распада, по энергиям, которое было обнаружено Джеймсом Чедвиком в 1914 г., противоречило предположению о том, что каждый электрон уносит всю энергию перехода ядра из одного состояния в другое, поскольку в этом случае у всех электронов была бы одна и та же энергия, равная разности энергий начального и конечного состояний ядра. Открытие Чедвика было настолько загадочным, что Бор даже допускал нарушение закона сохранения энергии при таком распаде. Высказанное в 1930 г. предложение Паули о введении нового типа частиц — нейтрино — большей частью ученых было встречено скептически, и этот скепсис окончательно исчез только после того, как четверть века спустя нейтрино были обнаружены в экспериментах[18].

Во-вторых, Дирак поначалу предполагал, что «дырки» в электронном «море», соответствующие состояниям электронов с отрицательной энергией в его теории, — это протоны, единственные известные тогда частицы с положительным электрическим зарядом, несмотря на то что такое предположение противоречило бы наблюдаемому факту стабильности каких-либо атомов, так как электроны в атомах могли бы проваливаться в эти «дырки». Позже Дирак отказался от такой трактовки, однако открытие позитронов в космических лучах Карлом Андерсоном и Патриком Блэкеттом в 1932 г. стало неожиданностью для большинства физиков, в том числе и для самих Андерсона и Блэкетта[19].

В-третьих, чтобы придать атомным ядрам соответствующие массы и заряды, физики сначала предположили, что ядра состоят из протонов и электронов. При этом они понимали, что вследствие этого допущения ядро азота-14 становится фермионом, тогда как исследования молекулярного спектра уже показали, что ядро азота-14 — бозон[20]. Окончательно нейтроны признали только после их открытия Чедвиком в 1932 г.

Сегодня это былое нежелание предлагать новые частицы даже в тех случаях, когда существовала очевидная теоретическая необходимость, кажется довольно странной. Современный физик-теоретик вряд ли добьется признания, если не введет хотя бы одну новую частицу, существование которой не подтверждено экспериментально. А в 1935 г. Хидэки Юкава потребовалась большая смелость, чтобы предположить, основываясь на приобретенном к тому времени знании о расстояниях ядерного взаимодействия, существование бозона с массой порядка 100 МэВ[21], которым обмениваются взаимодействующие протоны и нейтроны.

Между тем равенство масс нейтрона и протона говорило о том, что между этими частицами существует некоторая симметрия[22]. Эта симметрия была установлена Грегори Брейтом и Юджином Финбергом в 1936 г., после того как в том же году Мерл Тьюв с коллегами экспериментально измерили силу протон-протонного взаимодействия и обнаружили, что она равна уже известной к тому времени силе нейтрон-протонного взаимодействия. Найденная симметрия получила название изоспиновой; математикам она известна как SU(2)[23].

Физика частиц возобновила свое развитие после окончания Второй мировой войны. (Здесь я, пожалуй, закончу перечислять имена физиков, работавших в этой области, поскольку это заняло бы слишком много времени, а кроме того, я боюсь пропустить имя кого-нибудь из ныне живущих.) В конце 1940-х гг. старая проблема бесконечностей в квантовой электродинамике была решена с помощью теории перенормировки[24]. Мезон Юкавы, который мы теперь называем пионом, был обнаружен, и были определены свойства частицы, отличающие ее от открытого в 1937 г. мюона, который можно уподобить тяжелому электрону. Частицы, обладающие новым приближенно сохраняющимся квантовым числом — странностью, — были открыты в 1947 г.[25] Все эти новые частицы были обнаружены в космических лучах, но уже в 1950-х гг. на смену космическим лучам как инструменту для поиска новых частиц пришли ускорители. Ускорители становились все масштабнее и мощнее — они уже не помещались в подвалах университетских физических лабораторий и становились огромными объектами, видимыми из космоса.

Выдающийся успех квантовой электродинамики подарил надежду на создание квантовой теории поля, охватывающей все элементарные частицы и их взаимодействия, однако в этом направлении возникли серьезные препятствия. Для начала отметим, что такая теория требует выбрать элементарные частицы, описания полей которых появятся в уравнениях. Однако после открытия столь большого количества новых частиц уже стало невозможно всерьез относится к выбору небольшой группы частиц в качестве элементарных. Кроме того, можно было легко представить любое число теорий сильных взаимодействий в квантовых полях, но что с ними делать? Сильные взаимодействия оказались слишком сильными и не допускали приблизительных расчетов. Одна из теоретических школ и вовсе пришла к отказу от квантовой теории поля, по крайней мере в отношении сильных взаимодействий, и в дальнейшем полагалась исключительно на общие свойства процессов рассеяния.

Другая проблема: что нам делать с приближенными симметриями, вроде изоспиновой, или еще более загадочным спонтанным нарушением симметрии, описывающим свойства низкоэнергетических пионов, или еще более грубой симметрией, которая устанавливает связь между обычными и странными частицами?[26] Оказалось, что даже инвариантность относительно пространственного отражения (так называемая Р-симметрия, или зеркальная симметрия), обращения времени (Т-симметрия) и замена частицы на соответствующую античастицу (С-симметрия, или зарядовое сопряжение) оказалась приближенной. Если симметрии — выражение гармонии природы, то являются ли приближенные симметрии выражением приближенной гармонии природы?

Для слабых взаимодействий у нас имеется квантовая теория поля, которая хорошо согласуется с экспериментом, — теория бета-распада Ферми, появившаяся в 1933 г. Однако при обобщении этой теории за пределы нижнего порядка аппроксимации она привела к появлению бесконечностей, которые, очевидно, нельзя устранить с помощью перенормировки.

Все эти препятствия были преодолены в 1960–1970-х гг. благодаря развитию новой квантово-полевой теории элементарных частиц — Стандартной модели. Она построена на точных локальных симметриях, часть которых подвержена спонтанному нарушению, а другие — нет[27]. БАК, несомненно, позволит нам раскрыть механизм, приводящий к спонтанному нарушению локальной симметрии слабого и электромагнитного взаимодействий. Существует очевидный набор элементарных частиц, поля которых включены в Стандартную модель, — это кварки (из которых состоят протоны, нейтроны и другие сильно взаимодействующие частицы), лептоны (электроны, нейтрино и другие слабо взаимодействующие частицы) и бозоны, возникающие как проявления локальных симметрий (фотоны, переносящие сильное взаимодействие глюоны и переносящие слабое взаимодействие при бета-распаде W- и Z-бозоны). Нам все еще крайне сложно выполнять точные расчеты для сильно взаимодействующих частиц, например протонов и нейтронов, состоящих из кварков, но ослабление сильного взаимодействия при высоких энергиях позволяет произвести достаточный объем вычислений, чтобы убедиться в правильности теории.

Простота Стандартной модели обеспечивается условием перенормировки — в уравнениях допускаются только такие комбинации полей и их производных, размерность которых (в системе единиц, в которой постоянная Планка и скорость света равны единице) не превышает четвертой степени массы[28]. Это условие необходимо для того, чтобы все бесконечности, возникающие в теории возмущений, можно было устранить переопределением конечного набора констант в уравнениях.

Благодаря подобной простоте возникает естественное объяснение загадочным приближенным симметриям сильных взаимодействий, например изоспиновой симметрии. Та часть теории, которая описывает сильные взаимодействия, недостаточно сложна, чтобы могла описывать нарушение этих симметрий, за исключением незначительных эффектов, обусловленных массами легчайших кварков. Точно так же теория слабого и электромагнитного взаимодействий недостаточно сложна, чтобы могла описывать нарушение закона сохранения странности и других ароматов или P-, T- и С-симметрии (за исключением некоторых незначительных квантовых эффектов).

Несомненно, нужно выходить за рамки Стандартной модели. Мы десятилетиями пялимся на таинственный спектр масс кварков и лептонов, словно на символы неизвестного языка, который не можем расшифровать. Кроме того, для объяснения темной материи[29] и темной энергии тоже нужно что-то за пределами Стандартной модели.

Сегодня в целом понятно, что Стандартная модель — это всего лишь эффективная (то есть феноменологическая) теория поля, дающая низкоэнергетический предел некоторой более фундаментальной, неизвестной пока теории, которая будет охватывать значительно больший диапазон масс, чем тот, к которому мы привыкли. Любая теория, согласующаяся с квантовой механикой и СТО[30], при низких энергиях будет превращаться в квантово-полевую. Поля в таких эффективных теориях соответствуют частицам, элементарным или нет, массы которых достаточно малы, чтобы они могли рождаться при рассматриваемых энергиях. Поскольку эффективные теории поля не фундаментальны, от них нельзя ждать какой-то особенной простоты. Наоборот, все бесконечное разнообразие членов, появление которых возможно в уравнениях данной теории в согласии с требуемыми симметриями, будет присутствовать в теории, причем каждый из них будет входить умноженным на свою независимую константу.

Может показаться, что такая теория с бесконечным числом свободных параметров не должна обладать предсказательной силой. Полезность эффективных теорий обусловлена тем обстоятельством, что появление в уравнениях каких-либо более сложных членов, например содержащих произведения полей или их производных, повышает его размерность (то есть его зависимость от более высоких степеней масс). Поэтому размерность всех членов уравнений, за исключением конечного их числа, будет выражаться в единицах масс в степенях выше четвертой. Значит, коэффициенты при этих более сложных слагаемых должны быть пропорциональны некоторой характерной массе в отрицательной степени, чтобы сохранить одинаковую размерность всех членов уравнений. Если эффективная теория поля выводится из некоторой фундаментальной (или, по крайней мере, более фундаментальной) теории отбрасыванием («исключением путем интегрирования») высокоэнергетических степеней свободы, тогда масса, которая характеризует константу связи в членах более высокой размерности, будет по порядку величины соответствовать массовому масштабу фундаментальной теории. Если эффективная теория поля используется для анализа систем с энергиями много меньше этого массового масштаба, она позволяет получить систему приближений, учитывающую не столько степени малых констант связи вроде заряда электрона, сколько степени энергии в отношении к гораздо большему характерному массовому масштабу фундаментальной теории.

Учет взаимодействий выше четвертой степени массы означает, что эффективные теории поля не могут быть перенормированы подобно квантовой электродинамике. И поэтому при выходе за пределы первого приближения мы снова сталкиваемся с бесконечными рядами по энергиям, и эти бесконечности не получится исключить переопределением, или перенормировкой, конечного числа параметров теории. Однако эти бесконечности могут быть исключены переопределением бесконечного числа параметров, действительно присутствующих в теории. Для каждого порядка аппроксимации приходится иметь дело только с конечным числом свободных параметров и только с конечным числом бесконечных сумм, от бесконечных значений которых можно избавиться перенормировкой свободных параметров.

Впервые подобным образом эффективные теории поля в физике частиц были использованы для исследования низкоэнергетических пионов, фундаментальный массовый масштаб которых приближается к 1000 МэВ. Такие эффективные теории также были распространены и на процессы, охватывающие фиксированное количество нейтронов и протонов. Симметрии эффективных теорий поля пионов, нейтронов и протонов, несмотря на спонтанное нарушение, не допускают осуществления любых типов даже условно перенормируемых взаимодействий (то есть перенормируемых в том же смысле, что и в квантовой электродинамике).

Аналогично инвариантность квантовой теории гравитации по отношению к обобщенным преобразованиям пространственно-временных координат не допускает осуществления любых, даже условно перенормируемых, гравитационных взаимодействий. Теория квантовой гравитации тоже рассматривалась как эффективная теория поля. Проблема с этой теорией состоит не в бесконечностях, она обусловлена тем фактом, что теория теряет свою предсказательную силу при достаточно высоких, так называемых планковских, энергиях около 10^21 МэВ, при которых гравитация становится сильным взаимодействием.

Как ни странно, но старая теория бета-распада Ферми могла бы стать частью эффективной теории поля, в которой взаимодействие между протонами, нейтронами, электронами и нейтрино описывалось бы первым членом в сумме ряда по степеням энергии, поделенной на массу порядка 10 000 МэВ. Развивая эту теорию далее, мы бы учли бесконечные интегралы, значение которых можно сделать конечным с помощью перенормировки небольшого количества новых взаимодействий. Оказалось, что теория, лежащая в основе теории Ферми, была построена раньше, чем стало понятно, как использовать теорию Ферми в рамках эффективной теории поля. Фундаментальной теорией здесь выступает, конечно, стандартная теория электрослабого взаимодействия, которая позволяет использовать приближения для энергий, намного превышающих 10 000 МэВ, вероятно вплоть до энергий порядка 10^18 МэВ.

Если Стандартная модель является эффективной теорией поля, то ее уравнения должны быть дополнены членами, размерность которых содержит массу в степени выше четвертой, то есть фактически теми членами, существование которых допускается принципами симметрии и которые должны быть нивелированы отрицательными степенями некоторой огромной новой массы.

В последние годы мы нашли доказательство существования нового массового масштаба массы в окрестности 10^19 МэВ. При взаимодействиях, описываемых калибровочными полями в рамках Стандартной модели, барионное и лептонное числа сохраняются автоматически, однако нет причин предполагать, что эти законы сохранения[31] абсолютны. Фактически измерение массы нейтрино показало, что Стандартная модель должна быть дополнена не поддающимся перенормировке взаимодействиями, в которых лептонное число не сохраняется вследствие наличия множителя, порядок которого приближенно такой же, как у отношения единицы к 10–19 МэВ. Я рассчитываю, что когда-нибудь в будущем столетии мы найдем аналогичные процессы, в которых не сохраняется барионное число, и распад протона станет главным вопросом для ученых, занимающихся физикой частиц.

Конечно, задолго до измерения массы нейтрино мы уже знали о том, что за пределами Стандартной модели существует нечто, формирующее новую физику при энергиях немногим больше 10^19 МэВ, и знали о существовании гравитации, которая становится сильным взаимодействием при таких уровнях энергии. Не стоит забывать о том факте, что три независимых параметра, которые определяют силу взаимодействий в Стандартной модели и слабо зависят от энергии, по всей видимости, принимают одно и то же значение при энергии где-то между 10^18 МэВ и 10^19 МэВ.

Предложено огромное множество хороших идей о том, как выйти за рамки Стандартной модели, среди которых и суперсимметрия, и то, что теперь называют теорией струн, однако пока нет экспериментальных данных, подтверждающих эти идеи. Даже если щедрость правительств на финансирование физики частиц превзойдет наши самые дерзкие мечты, мы все равно никогда не построим ускоритель, в котором можно получить энергии порядка 10^18–10^19 МэВ. Когда-нибудь мы сможем обнаружить и зарегистрировать высокочастотные гравитационные волны, излученные в ранней Вселенной, которые расскажут нам о физических процессах при очень высоких энергиях. Ну а пока мы будем надеяться, что БАК и те ускорители, которые появятся после него, дадут нам столь необходимые ключи для расширения пределов успешных теорий последних 100 лет.

Насколько это важно? Действительно ли нам так необходимо узнать, почему существует три поколения кварков и лептонов, признает ли природа суперсимметрию или что такое темная материя? Я думаю, да, важно, поскольку поиск ответов на подобные вопросы — это следующий шаг в программе решении вопроса: как все закономерности в природе (все, что не является исторической случайностью) вытекают из малого числа простых законов.

Впервые реализация этой программы показалась возможной благодаря появлению квантовой механики после открытия Резерфордом атомного ядра. До той поры химия считалась отдельной наукой, построенной на собственных принципах, независимых от принципов физики — настолько независимых, что на рубеже XX в. ученые могли говорить о завершенности физики даже несмотря на отсутствие каких-либо работ по выводу химических законов из законов физики. Ученые-физики не переживали по этому поводу, поскольку, как им казалось, объяснение химических законов — это не их работа. Однако в 1929 г., когда была создана квантовая механика, Дирак заявил, что «фундаментальные физические законы, необходимые для математической теории большей части физики и всей химии, теперь полностью известны»[32].

Программа редукциониста — свести все научные принципы к нескольким простым законам физики — важна не только для науки и даже не только для физики. Ее особая значимость в том, что эта задача будет продолжать мотивировать работу физиков в будущем столетии.

4. Преподаватели и ученые в земле Техаса

Я никогда особо не задумывался о своих похоронах. Приличная урна — это все, чего бы я хотел для своего праха, но, может быть, хватило бы и пустой банки из-под кофе. И тем не менее мне было очень приятно, когда кладбище штата Техас в Остине предложило участок мне и моей жене. Кладбище штата — это симпатичный островок зелени, расположенный в восточной части Остина по соседству с кварталом прекрасных мексиканских ресторанов. После многих лет, проведенных в Нью-Йорке, Калифорнии и Массачусетсе, мы с женой бросили якорь в Техасе, и было очень приятно узнать, что мы останемся здесь желанными навсегда.

Так чувство признательности заставило меня ответить согласием на предложение Издательства Техасского университета поучаствовать в написании книги о кладбище штата, которую планировалось издать в 2011 г. Издательство попросило меня написать предисловие к главе, посвященной преподавателям и ученым, похороненным здесь. Мне пришлось покопаться в истории Техаса, которая, я надеюсь, может увлечь читателей, не испытывающих особого интереса к кладбищам.

Когда первые поселенцы пришли на территорию современного Техаса, они столкнулись с проблемами, связанными с подготовкой земель для ведения сельского хозяйства, войной с индейцами и преодолением ужасных конфликтов и противоречий, обусловленных Войной за независимость Техаса и Гражданской войной. В целом и без заботы о высшем образовании проблем хватало, однако с самого начала некоторые техасцы мечтали о построении цивилизованного общества, благословленного колледжами и университетами. Первые колледжи, основанные в период существования Техасской республики, были маленькими церковными школами: в 1840 г. был основан колледж Саут Вестерн, а в 1845 г. — Бейлор и Мэри Хардин-Бейлор. Университет Тринити (названный по имени реки) был основан после Гражданской войны в 1869 г.

Частное финансирование ни одного из названных колледжей не может сравниться с обеспечением таких школ, как Гарвард и Йель на Восточном побережье. Только сам штат располагает необходимыми ресурсами для создания крупного университета. Республике требовался университет «первого класса», поэтому власти выделили несколько квадратных километров земли, но так и не нашли время, чтобы основать университет. Эрудит Гидеон Линсекум, первый техасец, получивший международное признание в науке, был самоучкой и никогда не занимал должности в университете.

Наконец, в период с 1876 по 1881 г. штат приступил к созданию университетов: появились Техасский университет A&M в Колледж-Стейшн, Университет Прейри Вью A&M, Техасский университет в Остине и Университет Техас Медикал Бранч в Галвестоне. Пожалуй, самый неоценимый вклад в реализацию этой программы внес Ашбель Смит, основатель Университета Прейри Вью, регент и первый президент Техасского университета и инициатор создания Медикал Бранч.

С тех пор университеты и колледжи Техаса постепенно наращивали силу и авторитет. Три университета, а именно Техасский университет в Остине, Техасский университет A&M в Колледж-Стейшн и Университет Райса, теперь являются всемирно признанными исследовательскими центрами; медицинский факультет Техасского университета и Медицинский колледж Бейлор числятся среди лучших в мире; свои островки мастерства есть и в других многочисленных школах Техаса.

Такой рост высшего образования испытывал влияние общественной жизни в Техасе и сам оказывал влияние на нее. Пейдж Китон, долгое время служивший деканом юридического факультета Техасского университета, преданно защищал академическую свободу в 1950-х и 1960-х гг. и твердо следовал букве и духу решения Верховного суда, открывшего двери юридической школы для чернокожих студентов. После продолжительной государственной службы Барбара Джордан пришла в Школу общественных связей им. Линдона Джонсона Техасского университета, чтобы поделиться своими опытом и мудростью.

Несмотря на развитие высшего образования в Техасе, покойные студенты и ученые занимают лишь малую часть земли (или, корректнее будет сказать, подземелья) кладбища штата Техас. Отчасти это связано с тем, что многие годы право захоронения на кладбище штата предоставлялось только ветеранам Гражданской войны, выборным государственным чиновникам, членам государственных комиссий и их супругам. Чтобы открыть кладбище для Фрэнка Доби или Пейдж Китон, потребовались распоряжение губернатора и соответствующий законодательный акт. В 1997 г. в законодательном органе штата был создан Комитет кладбища штата Техас, который получил право выдавать разрешения на захоронения техасцев, внесших заметный вклад в жизнь штата в любой области деятельности. На могилах преподавателей, вероятно, не будут ставить такие же монументальные плиты, какие стоят в честь Стивена Остина или Альберта Сидни Джонстона, но все же количество могил преподавателей будет расти, что станет свидетельством процветания науки и образования в Техасе.

5. Возвышение Стандартных моделей

Журнал The New York Review of Books был основан в 1963 г. во время забастовки полиграфистов, из-за которой остановился выпуск ряда газет, в том числе The New York Times. Под руководством Роберта Сильверса и Барбары Эпштейн (умерла в 2006 г.) New York Review стал «ведущим литературно-интеллектуальным журналом на английском языке», по мнению одного из изданий. В 1995 г. я отправил в Review свою первую статью и с тех пор с огромным удовольствием пишу для этого журнала. Он дает своим авторам возможность высказывать мнения, выходящие за рамки простого суждения о рецензируемой книге, иногда даже можно и без рецензии обойтись. Кроме того, я обнаружил, что мои тексты совершенно точно становятся лучше благодаря работе с Сильверсом, хотя мой опыт работы с редакторами других периодических изданий не всегда столь позитивен. Поэтому я был очень рад, когда в 2013 г. меня пригласили присоединиться к 24 другим авторам, чтобы написать материал для юбилейного выпуска Review. Эта статья была опубликована в 50-м, юбилейном номере в ноябре 2013 г.

За последние 50 лет в двух крупных областях физики произошел исторический сдвиг. Помнится, в начале 1960-х гг. и космология, и физика элементарных частиц представляли собой какофонию конкурирующих гипотез. Сегодня же в каждой из этих областей имеется своя общепринятая теория, про которую говорят, что это — «стандартная модель».

Благодаря космологии и физике элементарных частиц мы получаем достоверные знания о явлениях, обнаруживаемых на разных расстояниях — от огромных до кратчайших. Ученые-космологи вглядываются в космический горизонт — на предельное расстояние, которое свет мог пройти с того момента, как Вселенная стала прозрачной для него, то есть за 13,8 млрд лет, а физики, занимающиеся элементарными частицами, изучают процессы на расстояниях много меньше размера атомного ядра. И наши стандартные модели действительно работают: они позволяют с высокой точностью выполнять количественные расчеты, результаты которых согласуются с наблюдениями.

До некоторого момента историю космологии и физики частиц можно рассказывать независимо друг от друга. Однако к концу статьи эти истории сойдутся, так же как они сходятся в нашей научной работе.

Научная космология началась в 1920-х гг. Именно тогда ученые выяснили, что маленькие облака, которые не меняют своего видимого положения среди звезд, на самом деле далекие галактики вроде нашего Млечного Пути, и в каждой из них — многие миллиарды звезд. Затем обнаружилось, что все эти галактики удаляются от нас и друг от друга. Несколько десятилетий все космологические исследования были почти полностью сосредоточены на попытках определить скорость расширения Вселенной и измерить возможное изменение этой скорости.

Как ни странно, очень мало внимания было уделено очевидному выводу: если галактики удаляются друг от друга, значит, в какой-то момент времени в прошлом они все были «спрессованы» вместе. По измеренной скорости расширения можно определить, что этот момент времени удален от нас на несколько миллиардов лет. Расчеты, выполненные в конце 1940-х гг., показали, что ранняя Вселенная должна была быть очень горячей, иначе весь водород в ней (самый распространенный элемент) образовал бы более тяжелые химические элементы. Горячая материя должна излучать свет, который сохранился бы до настоящего времени в виде слабого статичного микроволнового фона (реликтового излучения), охлажденного в результате расширения Вселенной до современного уровня температуры, составляющего несколько градусов выше абсолютного нуля[33].

Никаких попыток найти это остаточное космическое микроволновое фоновое излучение не предпринималось, и об этом предсказании практически забыли. Некоторое время теоретики даже допускали, что Вселенная находится в стационарном состоянии и всегда выглядит примерно одинаково, а пустоту между разбегающимися галактиками заполняет непрерывно образующаяся новая материя.

Современная эпоха научной космологии началась 48 лет назад, когда случайно было открыто реликтовое излучение. На этом стационарная космология закончилась — ранняя Вселенная действительно существовала. С тех пор реликтовое излучение интенсивно исследовалось с помощью как околоземных спутников, так и наземных радиотелескопов. Теперь мы знаем, что современное значение температуры реликтового излучения составляет 2,725° выше абсолютного нуля. Если эти данные использовать для расчетов образования атомных ядер в первые три минуты после Большого взрыва, тогда их результаты предскажут наблюдаемую распространенность легких элементов (изотопов водорода, гелия и лития) с некоторыми оговорками относительно лития. Более тяжелые химические элементы, как известно, образуются внутри звезд.

Куда важнее, чем точное измерение температуры, открытие 1992 г., что температура реликтового излучения для разных участков неба разная. В ее распределении были обнаружены флуктуации масштаба одной стотысячной доли. Это явление не стало сюрпризом. Такая мелкая зыбь в распределении температуры должна наблюдаться из-за малых сгустков материи в ранней Вселенной, которые впоследствии стали центрами гравитационной конденсации материи в галактики.

Эти сгустки и флуктуации обусловлены хаотическими волнами, похожими на звуковые в материи ранней Вселенной. Пока температура Вселенной превышала 3000 K, электроны в разогретой материи находились в свободном состоянии и непрерывно рассеивали излучение, поэтому сжатие и разрежение в звуковых волнах создавало соответствующие изменения в интенсивности излучения. Мы не можем заглянуть непосредственно в тот период времени, поскольку взаимодействие излучения со свободными электронами сделало Вселенную непрозрачной, но, когда Вселенная остыла до 3000 K, электроны оказались заперты в атомах водорода и Вселенная стала прозрачной. Излучение того времени сохранилось, остыло за счет расширения Вселенной и все еще несет в себе отпечаток волн, которые наполняли Вселенную до того, как она стала прозрачной.

Описанные физические процессы неизбежно стали предметом экспериментальных и теоретических исследований, которые показали, что Вселенная внезапно стала прозрачной примерно через 380 000 лет после возникновения атомного ядра. На основе данных о флуктуациях реликтового излучения мы можем рассчитать распространенность различных типов элементарных частиц во Вселенной до того, как она стала прозрачной.

Результаты озадачили ученых. Оказалось, что известных нам типов частиц недостаточно, чтобы учесть массу горячей материи, в которой должны были распространяться волны. Не меньше 5/6 массы Вселенной должно принадлежать некоторому типу темной материи, которая не излучает и не поглощает свет. Существование столь большого количества темной материи в современной Вселенной уже было обосновано тем фактом, что скопления галактик удерживаются вместе за счет гравитации вопреки высоким случайным скоростям движения галактик внутри этих скоплений. Так была сформулирована большая загадка: что такое темная материя? Теорий множество; предпринимаются попытки зафиксировать частицы темной материи или следы их аннигиляции в наземных детекторах, создать темную материю в ускорителях. Но до сих пор темная материя не найдена, и никто не знает, что это такое[34].

Астрономы продолжали работать в рамках старой программы по регистрации скорости разбегания галактик от нас и друг от друга. Их работа привела к великому открытию. Изначально предполагалось, что расширение Вселенной должно замедляться из-за гравитационного притяжения галактик, почти как движение брошенного вверх камня замедляется под воздействием силы притяжения Земли. Главный вопрос всегда состоял в том, прекратится ли расширение Вселенной и начнется ли обратный процесс, как в случае с камнем движение вверх сменяется падением обратно на землю, или замедление продлится вечно, как движение камня, скорость которого превышает вторую космическую[35]. В 1998 г., используя данные о видимом блеске сверхновых звезд для измерения расстояния до дальних галактик, две группы астрономов обнаружили, что расширение Вселенной вовсе не замедляется, а, наоборот, ускоряется. В рамках ОТО это явление можно объяснить, только допустив существование энергии, не связанной с массой частиц любого типа, темных или нет, но представляющей собой «темную энергию», присущую пространству как таковому, которая создает нечто вроде антигравитационного воздействия, заставляющего галактики разбегаться.

По результатам этих измерений, а также на основе исследований влияния расширения Вселенной на фоновое космическое излучение было обнаружено, что темная энергия в настоящее время составляет около 3/4 полной энергии Вселенной. Кроме того, мы узнали, что Вселенная расширяется 13,8 млрд лет — с того самого момента, как она стала прозрачной. Таким образом, мы теперь располагаем стандартной космологической моделью: наша расширяющаяся Вселенная по большей части состоит из темной материи и темной энергии. Во всей этой темноте есть маленькое загрязнение в виде нескольких процентов обычной материи, из которой состоят звезды, планеты и мы с вами.

История развития физики элементарных частиц шла совсем по иному сценарию, не схожему с историей космологии. Вместо того чтобы страдать от недостатка данных, мы были завалены данными, которые не могли понять. Прогресс в этой области был достигнут в основном благодаря теоретическим успехам, а эксперимент выступал арбитром для конкурирующих теорий.

К концу 1940-х гг. у нас уже была хорошая теория для одного типа взаимодействий, в котором участвуют элементарные частицы, например электроны, а именно электромагнитного взаимодействия. Эта теория — квантовая электродинамика — частный случай целого класса теорий, известных как квантово-полевые теории. Величины, входящие в фундаментальные уравнения, описывают поля, которые заполняют пространство, как вода заполняет ванну. Элементарные частицы вторичны: это «кванты» полей, сгустки энергии и импульса поля, примерно как водовороты на море. Фотоны — безмассовые частицы света — это кванты электромагнитного поля, а электроны — кванты электронного поля.

Вычисления в квантовой электродинамике можно проводить с очень большой точностью, поскольку силы взаимодействия довольно малы. Вероятность всякого процесса в квантовой теории поля дается суммой, каждое слагаемое которой соответствует одной возможной последовательности промежуточных шагов, определяющей протекание процесса. Например, при столкновении двух электронов один из них может испустить фотон, который будет поглощен другим электроном, или один электрон может испустить два фотона, которые будут поглощены другим электроном в том же или обратном порядке, или один электрон может испустить два фотона, один из которых будет поглощен испустившим его электроном, а второй — другим электроном, и т. д.

Количество таких сценариев всегда бесконечно, что в общем случае делает невозможным выполнение точных расчетов, однако, если силы взаимодействия малы, наиболее вероятны простейшие сценарии. Пренебрегая всеми слагаемыми, за исключением самых больших, в квантовой электродинамике можно получать результаты, великолепно согласующиеся с экспериментом. 50 лет назад некоторые из нас мечтали о том, чтобы найти более полную квантовую теорию поля, которая смогла бы описать все частицы и силы природы так же успешно, как квантовая электродинамика описывает фотоны и электроны. В итоге почти все так и вышло.

Но на это потребовалось время. Существует еще одна сила, которая даже слабее силы электромагнитного взаимодействия. Она называется слабым ядерным взаимодействием, и именно она отвечает за то, что иногда нейтрон в атомном ядре превращается в протон или наоборот. К 1950-м гг. результаты исследований радиоактивности позволили сформулировать квантово-полевую теорию слабого взаимодействия, которая хорошо описывала имеющиеся данные. Проблема заключалась в том, что при применении этой теории за пределами диапазона параметров, обычных для задач радиоактивности, а также для расчета характеристик экзотических процессов, которые по техническим причинам невозможно исследовать экспериментально, получались очевидно бессмысленные результаты, содержащие бесконечные значения величин. Аналогичные бесконечности встречались на начальных этапах развития квантовой электродинамики, но позже ученые-теоретики поняли, что все эти бесконечности могут быть устранены[36], если озадачиться определением массы и электрического заряда электрона (соответствующая процедура получила название перенормировки). Однако для слабого взаимодействия подобное исключение бесконечностей казалось невозможным.

Найденным в конце 1960-х гг. решением стала новая квантово-полевая теория слабого взаимодействия. Эта теория была построена не просто по лекалам квантовой электродинамики, она включила в себя квантовую электродинамику как частный случай. Аналогично тому, как электромагнитное взаимодействие осуществляется за счет обмена фотонами, слабое взаимодействие в рамках этой «электрослабой» теории осуществляется за счет обмена соответствующими частицами, получившими название W+, W— и Z^0-бозонов.

С теориями такого типа имеется очевидная проблема. Фотоны не имеют массы, тогда как W+, W— и Z^0-бозоны должны быть очень тяжелыми, иначе их обнаружили бы на несколько десятков лет раньше: ведь чем тяжелее частицы, тем больше энергии необходимо для их получения в ускорителе и тем дороже становится сам ускоритель. Решение связано с идеей так называемого спонтанного нарушения симметрии, успешно применявшейся в других областях физики частиц с 1960 г. Уравнения теории могут обладать определенными упрощениями, которые отсутствуют в решениях, описывающих результаты наблюдений[37]: например, можно упростить соотношения, описывающие взаимодействие между фотоном, W+, W— и Z^0-бозонами. В теории электрослабого взаимодействия симметрия между слабой и электромагнитной силами нарушается и W+, W— и Z^0-бозоны, как и электрон, получают массы от четырех предполагаемых «скалярных» полей, пронизывающих Вселенную[38]. Новая, недавно открытая частица, существование которой было предсказано теорией, представляет собой квант одного из этих скалярных полей[39].

Поскольку уравнения теории электрослабого взаимодействия аналогичны уравнениям квантовой электродинамики, соответственно, все бесконечности в теории вроде бы должны исчезнуть. Доказательство было получено в 1971 г. Явления, связанные с обменом Z^0-частицами, были зарегистрированы в 1973 г., и, как оказалось, наблюдения согласуются с предсказаниями теории электрослабого взаимодействия. Сами W+, W— и Z^0-бозоны были открыты на 10 лет позже, и все их свойства соответствовали теоретическим оценкам.

Чуть больше времени потребовалось, чтобы понять природу еще одной силы, которая удерживает вместе протоны и нейтроны в атомном ядре. Речь идет о сильном ядерном взаимодействии. 50 лет назад мы располагали огромным массивом данных об этой силе и могли вообразить любое количество квантово-полевых теорий, потенциально пригодных для описания этого типа взаимодействия, однако у нас не было способа воспользоваться данными, чтобы выбрать правильную теорию. Поскольку сила взаимодействия велика, во всех этих теориях каждая возможная последовательность промежуточных шагов вносила существенный вклад во все наши расчеты. Учесть все эти вклады даже приблизительно, как мы делали в рамках теории электрослабого взаимодействия, было невозможно.

Ситуация усложнялась тем, что со временем обнаруживалось все больше и больше типов частиц, участвующих в сильном взаимодействии. Казалось невероятным, что все эти сотни типов частиц могут быть квантами различных полей, сгустками энергии поля, по одному полю на каждый тип частиц. Всем этим частицам можно было бы придать какой-то смысл, если предположить, что они состоят из по-настоящему элементарных частиц — кварков, относящихся к нескольким типам. Было сделано предположение, что каждый протон и нейтрон в атомном ядре состоит из трех кварков. Но если это так, почему экспериментаторы не смогли обнаружить эти кварки? Я помню охвативший всех пессимизм относительно того, можно ли вообще сильное взаимодействие описать хоть какой-то квантово-полевой теорией.

Позже, в начале 1970-х гг., нужная теория была найдена. Как и успешная теория электрослабого взаимодействия, новая теория имела нечто общее с квантовой электродинамикой, только теперь место электрического заряда заняла новая величина, условно названная цветом. В рамках этой теории, получившей название квантовой хромодинамики, сильное взаимодействие между кварками осуществляется за счет обмена протоноподобными частицами восьми типов, названных глюонами. Квантовая хромодинамика объясняет экспериментальные результаты, согласно которым сильное взаимодействие между кварками ослабевает, когда кварки рассматриваются на конечных расстояниях, как и в случае, когда они сталкиваются с электронами при высоких энергиях. Это ослабление силы взаимодействия позволяет проводить различные приближенные расчеты, как в теории электрослабого взаимодействия, и результаты расчета согласуются с экспериментами, что подтверждает правильность теории.

Глюоны никогда не наблюдались в эксперименте. Сначала предполагалось, что причиной этому является слишком высокая масса частиц, поэтому их не удается получить в существующих ускорителях. Глюоны приобретают огромную массу в результате нарушения симметрии, аналогично тому как W+, W— и Z^0-бозоны приобретают массу в теории электрослабого взаимодействия. И даже в этом случае все еще остается загадкой, почему кварки ни разу не наблюдались в экспериментах. Трудно было поверить, что кварки слишком тяжелые; навряд ли они могут быть намного тяжелее, чем содержащие их протоны и нейтроны.

Позже несколько ученых-теоретиков предположили, что, поскольку сильное взаимодействие ослабевает на малых расстояниях, возможно, оно становится очень интенсивным на больших расстояниях, настолько интенсивным, что оказывается невозможным разъединить цветные частицы вроде кварков и глюонов. Никто не доказал математически справедливость этого предположения, но многие физики считают его верным.

Итак, теперь мы имеем Стандартную модель элементарных частиц. Ее компоненты — это квантовые поля и различные элементарные частицы, представляющие собой кванты этих полей: фотоны, W+, W— и Z^0-частицы, восемь глюонов, шесть типов кварков, электрон и два типа подобных ему частиц, а также три типа почти безмассовых частиц, называемых нейтрино. Уравнения этой теории не случайны; они тесно связаны с различными принципами симметрии и с условиями исключения бесконечностей.

При этом Стандартная модель, очевидно, не является окончательной теорией. В ее уравнения входит множество параметров, например массы кварков, которые нужно получать экспериментально, и мы не понимаем, почему они имеют именно такие значения. Более того, Стандартная модель не описывает самую привычную и давно известную силу — силу гравитации. Обычно мы описываем гравитацию с помощью теории поля — общей теории относительности, однако это не квантово-полевая теория с исключенными бесконечностями по типу Стандартной модели.

Начиная с 1980-х гг. огромное количество сложных математических работ было посвящено развитию квантовой теории, фундаментальными компонентами которой были бы не частицы или поля, а тонкие струны. Различные моды колебаний этих струн мы видим как различные типы элементарных частиц. Одна из таких мод соответствует гравитону, кванту гравитационного поля. Если теория струн окажется верна, это не означает, что теории поля, такие как Стандартная модель или ОТО, станут неверными; просто их значение понизится до эффективных теорий, приближений, справедливых на масштабах расстояний и энергий, доступных для наблюдения.

Теория струн довольно привлекательна, поскольку включает в себя гравитацию, не содержит бесконечностей, а ее структура тесно связана с условиями математической согласованности, то есть теория струн всего одна. К сожалению, несмотря на то что мы до сих пор не знаем точный вид уравнений, лежащих в основе теории струн, есть причины полагать, что, какими бы эти уравнения не были, они имеют огромное количество решений. Я был поклонником теории струн, однако меня огорчает то, что пока никому не удалось найти решение, соответствующее наблюдаемому нами миру.

Проблемы физики элементарных частиц и космологии все чаще пересекаются. Существует классическая загадка космологии: почему Вселенная настолько однородна? За 13,8 млрд лет с того момента, как Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения, никакому физическому взаимодействию не хватило бы времени, чтобы связать те части Вселенной, которые мы видим в различных по отношению к себе направлениях, и чтобы наблюдаемое распределение плотности и температуры во Вселенной вследствие этого всюду стало бы однородным. В начале 1980-х гг. выяснилось, что различные квантово-полевые теории предсказывают предшествующий моменту формирования атомных ядер период инфляции, когда Вселенная расширялась экспоненциально. Высокооднородные малые области во время инфляции должны были расшириться до размеров, превышающих современные размеры наблюдаемой Вселенной, оставаясь при этом приблизительно однородными. Конечно, это всего лишь гипотеза, однако она оказалась чрезвычайно успешной. Расчеты показывают, что квантовые флуктуации в процессе инфляции должны были запустить через несколько тысяч лет что-то вроде хаотических волн, отзвуки которых мы сегодня наблюдаем в виде фонового реликтового излучения.

Инфляция хаотична по своей природе. Каждый пузырь, сформировавшийся в расширяющейся Вселенной, в итоге разорвался своим большим или маленьким взрывом, и для всех них, вероятно, характерны различные наборы величин, которые мы обычно называем фундаментальными константами. Обитатели (если таковые есть) одного пузыря не могут видеть другие пузыри, поэтому их пузырь кажется им всей вселенной. Полный набор всех таких вселенных получил название Мультивселенной.

В этих пузырях могут быть реализованы все возможные решения уравнений теории струн. И если так, тогда надежда найти рациональное объяснение точным значениям массы кварков и другим константам Стандартной модели, которые характерны для нашего Большого взрыва, обречена, поскольку это всего лишь случайные значения, установившиеся в той конкретной части Мультивселенной, где мы живем. Нам придется довольствоваться огрубленным вариантом антропного принципа для объяснения некоторых аспектов наблюдаемой Вселенной: любые живые существа, вроде нас с вами, которые могут изучать Вселенную, должны находиться в той ее части, в которой фундаментальные константы допускают эволюцию жизни и разума. Человек действительно может оказаться мерой всех вещей, хоть и не совсем в том смысле, который подразумевал Протагор[40].

На сегодня, по-видимому, антропный принцип предлагает единственное объяснение наблюдаемому количеству темной энергии. В Стандартной модели и других известных квантовых теориях поля количество темной энергии просто фундаментальная константа. Это количество может быть любым. За неимением лучшего мы можем предположить, что плотность темной энергии соответствует плотности энергии, характерной для физики элементарных частиц, например плотности энергии в атомном ядре. Однако тогда Вселенная расширилась бы так быстро, что не образовалось бы никаких галактик, звезд или планет. Для эволюционного развития жизни количество темной энергии не может быть много больше или меньше наблюдаемой величины.

Подобные грубые антропные объяснения не совсем то, чего мы ждем от физики, однако они могут нас удовлетворить. История развития физической науки связана не только с поиском точных объяснений явлений природы, но еще и с выявлением тех вещей, которые допускают точные объяснения. И таких вещей может быть меньше, чем мы предполагали.

6. Мгновения и эпохи

В сочинении «Исчисление песчинок» Архимед показал, что умеет обращаться с большими числами, оценив количество песчинок, которое потребуется, чтобы заполнить Вселенную. Конечно, Архимед не знал размеров Вселенной; он использовал расчеты Аристарха для определения расстояния до границы небесной сферы, на которой расположены звезды. Большого смысла в этом не было. Его работа представляла интерес не для астрономии, а для математики. Описывая большие числа, он говорил о мириадах, мириадах мириад, мириадах мириад мириад мириад и т. д. В современном языке описать такое количество намного проще: мириада — это 10 000 или десять в четвертой степени, 10^4; мириада мириад — это 10^4, умноженное на 10^4, то есть 10^8; мириада мириад мириад мириад — это 10^8, умноженное на 10^8, то есть 10^16; и т. д. Если перевести выводы Архимеда на современный язык, окажется, что для заполнения Вселенной потребуется не более чем 10^63 песчинок.

В своих расчетах Архимед оперировал объемами: объем небесной сферы он представил как очень большое число объемов частичек песка. Ученым в своих исследованиях также приходится иметь дело с очень большими и очень маленькими величинами, которые мы описываем, используя степени десятки. Физики Герард ‘т Хоофт и Стефан Вандорен из города Утрехт (Нидерланды) в своей книге «Время в десяти энергиях» (Time in Powers of Ten), изданной в Голландии с милыми иллюстрациями дочери ‘т Хоофта Саскии, описали огромный диапазон временны΄х интервалов, с которыми имеет дело современная физика. В июле 2013 г. я получил электронное письмо от ‘т Хоофта, в котором он спрашивал, не соглашусь ли я написать предисловие для английского перевода их книги. Герард ‘т Хоофт — один из величайших физиков нашего времени и мой старый приятель, к тому же я и сам размышлял о временны΄х масштабах в истории физики и астрономии, так что я согласился. Английское издание книги ‘т Хоофта и Вандорена с моим кратким предисловием, которое можно прочесть в этой главе, было выпущено издательством World Scientific Press в 2014 г.

В обычной жизни человек оперирует временными периодами от нескольких секунд до нескольких десятилетий, то есть самый длительный временной интервал примерно в миллиард раз больше самого короткого. Однако с развитием науки ученые все чаще имеют дело с еще более длинными или короткими интервалами времени, отличающимися от привычных нам на много порядков.

Примерно в 150 г. до н. э. греческий астроном Гиппарх в результате наблюдений установил, что положение Солнца на фоне звезд в момент осеннего равноденствия постепенно изменяется со скоростью, при которой равноденственное светило совершит полный круг по зодиакальному экватору примерно за 27 000 лет. Позже Ньютон объяснил предварение равноденствий[41] влиянием медленного колебания оси вращения Земли, вызванного гравитационным притяжением Солнца и Луны. Сегодня нам известно, что ось Земли совершает полный оборот за 25 727 лет. Гиппарх впервые выполнил серьезный научный расчет, в котором фигурировал временной интервал, намного превышающий продолжительность жизни человека, и получил результат с погрешностью всего 5 %.

В наше время мы уже привыкли к гораздо более длительным интервалам времени. По относительной распространенности изотопов урана мы можем сделать вывод, что вещество, из которого состоит Солнечная система, образовалось в результате взрыва звезды примерно 6,6 млрд лет назад. Заглядывая еще глубже в прошлое и анализируя скорость разбегания галактик, мы понимаем, что 13,8 млрд лет назад материя Вселенной находилась в настолько сжатом состоянии, что не было ни галактик, ни звезд, ни даже атомов — только горячий плотный газ элементарных частиц.

Расширение нашего опыта на сверхкороткие временны́е интервалы оказалось еще более драматичным. В результате наблюдения за дифракцией, которая связана с волновой природой света, еще в начале XIX в. стало известно, что характерная длина волны видимого света составляет примерно 3 стотысячных сантиметра. К тому моменту люди уже знали, что скорость света около 300 000 км/с, таким образом, период световой волны, то есть время, необходимое на преодоление расстояния, равного длине волны, составляет 10–15 с (одна квадриллионная секунды). Это примерно соответствует времени, за которое электроны в атомах совершают один полный оборот на своих орбитах (если рассматривать процесс в рамках классического описания).

Современная физика элементарных частиц имеет дело с временными интервалами, которые во много раз короче. Время жизни W-частицы (тяжелой заряженной частицы, отвечающей за слабое взаимодействие, которое позволяет нейтронам превращаться в протоны в радиоактивных ядрах) равно 3,16·10–25 с, то есть за это время W-частица, двигающаяся с околосветовой скоростью, даже не успеет преодолеть расстояние, равное диаметру атомного яра.

Меня впечатляет не только тот факт, что теперь ученые сталкиваются со столь длинными или столь короткими интервалами времени. Более удивительным мне кажется то, что наши эксперименты и теории стали достаточно надежными и позволяют получать точные числа вроде 13,8 млрд лет и 3,16·10–25 с с некоторой уверенностью в том, что мы понимаем, о чем говорим.

7. С оглядкой на современность: виговская история науки

Активно интересоваться историей науки я начал в 1972 г., когда написал свою первую книгу — учебник по общей теории относительности для студентов старших курсов[42]. Чтобы описать предпосылки теории Эйнштейна понятнее, я начал книгу с исторического введения, в котором осветил историю основополагающих идей, то есть неевклидовой геометрии, теории гравитации и принципа относительности.

Изложение истории в этой книге было почти полностью построено на вторичных источниках и опубликованных исследовательских статьях, но к своей второй книге о современной космологии, адресованной более широкой аудитории читателей[43], я подошел более основательно. При работе над книгой, написанной в 1977 г., я, кроме прочего, поговорил с физиками и астрономами, которые имели прямое отношение к совершенному в 1965 г. открытию реликтового излучения, сохранившегося со времен ранней Вселенной. Я хотел лучше понять сложности, которые стояли перед учеными.

Затем я решил предпринять попытку преподавать историю физики студентам. В начале 1980-х гг. сначала в Гарварде, а потом в Техасе я читал учебный курс об открытии внутриатомных частиц — электрона, протона и нейтрона. Материал курса лег в основу новой книги[44]. Увлекшись историей, я начинал свои поздние труды по квантовой теории поля и квантовой механике с исторических обзоров. Я хотел не только объяснить, откуда пришли эти идеи, но еще и дать студентам, которые будут применять эти теории, ощущение сопричастности великой традиции.

Большая часть моих текстов касалась только новейшей истории физики и астрономии, охватывавшей период с конца XIX в. до настоящего времени. Однако я чувствовал растущую потребность погрузиться вглубь веков и больше узнать о ранних этапах истории науки, когда задачи и стандарты научных знаний еще не обрели современную форму. Чтобы лучше познакомиться с древней историей, я вызвался читать учебные курсы по истории физики и астрономии студентам Техасского университета. Из лекционных конспектов к этим курсам выросла еще одна книга, изданная в 2005 г.[45]

Несмотря на то что в этой книге я уделял повышенное внимание ошибкам, неудачным гипотезам и даже подлым поступкам в истории науки, в целом у меня все же получился рассказ о прогрессе, идущем от первых неумелых шагов классической Греции к ранней науке эллинистических астрономов, математиков, физиков через драматичное развитие средневековых ислама и христианства к расцвету современной науки и научной революции. Я знаю, что такой подход к истории уже не в моде, и преднамеренно адаптировал то, что зачастую осуждается как «виг-интерпретация»[46] истории науки. Поэтому я не был удивлен, когда некоторым историкам не понравилась тематика книги, несмотря на отсутствие в ней явных ошибок.

В завершение всей этой суматохи в марте 2016 г. на одном из своих заседаний в Балтиморе Американское физическое общество провело специальную сессию, названную «Диалог с автором: о книге Стивена Вайнберга “Объясняя мир”». Я написал текст для своего выступления заранее и в декабре 2015 г. опубликовал его в виде статьи в журнале The New York Review of Books. Эта работа сейчас перед вами.

Герберт Баттерфилд был тем самым кембриджским историком, который описал и осудил то, что он назвал «виговским подходом к истории». В 1931 г. в своей одноименной книге молодой Баттерфилд заявил, что «изучение истории с оглядкой на современность является источником всех грехов и софистики в исторической науке»[47]. Особое презрение он выражал тем историкам, среди которых оказался и лорд Актон, кто судил о событиях прошлого, исходя из современных этических норм, и кто, к примеру, видел в виге Чарльзе Джеймсе Фоксе исключительно хранителя британских либеральных ценностей. Дело не в том, что Баттерфилд лично не хотел высказывать моральных суждений; просто он считал, что это занятие — не для историков. Согласно Баттерфилду, виговский историк, изучающий католиков и протестантов XVI в., уверен, что, «пока он не укажет правую сторону, из ткани истории будут торчать нитки».

Жесткие высказывания Баттерфилда были страстно подхвачены следующими поколениями историков. Для них оказаться «вигом» теперь не менее ужасно, чем прослыть сексистом, евроцентристом или ориенталистом. Не обошли стороной и историю науки. Историк науки Брюс Хант вспоминает, что, когда он учился в аспирантуре в начале 1980-х гг., слово «виговский» стало распространенным ругательством в среде историков. Дабы избежать подобных обвинений, люди перестали рассказывать об истории прогресса и описывать «общую картину», сместившись на изучение малых эпизодов, сосредоточенных в узких пространственных и временны́х рамках.

Тем не менее, читая учебные курсы по истории физики и астрономии, а также в процессе переработки своих лекций в материал для книги я пришел к мысли, что, как бы кто ни относился к «виговству» в других областях истории, но в истории науки подобный подход занял свое законное место. Очевидно, нет смысла говорить о правильном или неправильном в истории искусств или моды, а также, я думаю, это неуместно и в истории религии. Можно спорить о применимости подобной интерпретации в политической истории, но в истории науки мы действительно можем сказать, кто именно оказался прав. Согласно Баттерфилду, «ни окончательное решение, ни естественный ход событий, ни течение времени не позволяют однозначно утверждать, что Лютер был прав в споре с Поупом, или что Питт ошибался, а Чарльз Джеймс Фокс — нет». Однако мы можем с полной уверенностью сказать: время показало, что в отношении устройства Солнечной системы Коперник оказался ближе к истине, чем сторонники Птолемея, а Ньютон в правоте обошел последователей Декарта.

Таким образом, история науки имеет отличительные особенности, которые делают виговский подход полезным, но все же есть еще один аспект, из-за которого оглядка на современность причиняет беспокойство некоторым профессиональным историкам. Историки, которые сами никогда не занимались наукой, могут почувствовать, что не понимают современную науку, в отличие от действующих ученых. С другой стороны, необходимо иметь в виду, что ученые вроде меня не владеют мастерством работы с источниками так, как им владеют профессиональные историки. Тогда кому все же следует писать историю науки, историкам или ученым? Ответ мне кажется очевидным: и тем и другим.

Должен признать, что у меня здесь свой интерес[48]. В упомянутой выше книге, основанной на моих лекциях, которые я читал в Техасском университете в Остине, я признаю, что «близко подбираюсь к опасной ситуации, старательно избегаемой современными историками, когда рассуждаю о прошлом, используя стандарты настоящего». Рецензии на мою книгу в основном были положительные, но в одной из них, опубликованной профессиональным историком в Wall Street Journal, я был подвергнут критике за свое внимание к современности. Рецензия вышла под заголовком «Виговский подход к науке».

Сейчас некоторая критика виговства со стороны Баттерфилда и других применительно к истории науки либо уже неуместна, либо не подразумевает дискуссии. Конечно, нам не следует слишком упрощать или пренебрегать этическими оценками, объявляя одних ученых прошлого безупречными героями или непогрешимыми гениями, а других — негодяями и дураками. Мы не должны пренебрегать фактами, свидетельствующими о том, что, например, Галилей был совершенно не прав в споре о кометах, который он вел с иезуитом Орацио Грасси, или о том, что Ньютон подгонял результаты своих расчетов, чтобы добиться согласия с наблюдаемой прецессией оси Земли. В любом случае современные стандарты нам следует применять к идеям и методикам, а не к личностям. Прежде всего, мы не должны думать, будто наши предшественники мыслили так же, как мы, только располагали меньшим объемом информации.

Именно баттерфилдовский запрет презентизма[49], то есть «изучения прошлого с оглядкой на современность», бросает серьезный вызов виговским историкам науки. В 1968 г. Томас Кун, формулируя принципы истории науки, подчеркивающие ее внутреннее развитие, утверждал, что «по мере возможности (а полностью этого никогда нельзя сделать, поскольку иначе невозможно было бы писать историю) историк должен отодвигать в сторону науку, которую он знает»[50]. Еще более бескомпромиссную позицию против использования современных знаний занимали некоторые социологи, изучавшие науку как социальное явление, в том числе ученые из известной группы «Социология научного знания» в Университете Бата.

Вместе с тем у виговского подхода в истории науки не было недостатка и в защитниках, особенно среди действующих ученых, таких как Эдвард Харрисон[51], Николас Джардин[52] и Эрнст Майр[53]. Я думаю, это связано с тем, что ученым просто необходима история науки, рассказанная с оглядкой на современность. Мы не рассматриваем нашу работу как исключительно культурное проявление настоящего, вроде парламентской демократии или танца моррис[54]. Мы считаем науку новейшим этапом тысячелетнего процесса объяснения мира. Мы видим перспективу и черпаем мотивацию из рассказов о том, как человечество достигло современного понимания, пока остающегося несовершенным.

Несомненно, исторической науке не следует игнорировать влиятельные фигуры ученых прошлого, которые, как оказалось, ошибались. Иначе мы никогда не сможем понять, чего стоит правота. Однако история будет лишена смысла, пока мы не признаем, что кто-то был прав, а кто-то ошибался, и сделать это можно только с позиций наших современных знаний.

А в чем, собственно, правы или не правы? Не слишком интересной будет виговская история науки, в которой всего лишь подсчитывается общая сумма положительных и отрицательных баллов, начисляемых всякий раз, когда какой-либо ученый из прошлого оказывался прав или ошибался. Гораздо важнее, как мне кажется, отследить трудный и медленный, растянувшийся на века прогресс метода познания мира. На какие вопросы мы можем надеяться найти ответы? Какие идеи помогут нам отыскать эти ответы? Как понять, что найденный ответ верен? Мы можем определить, какие исторические методики наставляют будущих ученых на правильный путь, а о каких старых вопросах и методологиях лучше забыть. Это невозможно сделать без учета наших современных представлений, столь мучительно сформированных.

В качестве примера виговского подхода к прошлому обратимся к фундаментальной проблеме древности — из какой материи состоит наш мир? Часто особую заслугу в разрешении этого вопроса приписывают Демокриту Абдерскому, который за 400 лет до н. э. предположил, что материя состоит из движущихся в пустоте атомов. Сегодня один из ведущих университетов Греции носит имя Демокрита. При этом с современной точки зрения верная догадка Демокрита об атомах не получила развития в научной методологии. Ни в одном из сохранившихся фрагментов записей Демокрита нет описаний каких-либо наблюдений, которые могли бы навести его на мысль о существовании атомов, и ни Демокрит, ни кто-либо еще из живших в те древние времена ничего не могли сделать, чтобы подтвердить догадку о том, что материя действительно состоит из атомов. Демокрит был прав насчет природы материи, но ошибался в том, как следует изучать мир. И в этом он был не одинок; кажется, никто до Аристотеля не понимал, что умозрительные теории о структуре материи должны быть подкреплены наблюдениями.

Отношение к Аристотелю позволяет судить об отношении к истории науки, поскольку Аристотель был, в некотором смысле, первым ученым и во многом дальнейшее развитие науки определялось реакцией на его учение. Аристотель утверждал, что Земля является сферой, основываясь не только на чисто теоретических рассуждениях о том, что именно такая форма позволяет наибольшему количеству элемента «земля» находиться в максимальной близости от центра космоса, но и на результатах наблюдений: тень Земли на поверхности Луны во время лунного затмения искривлена, а вид ночного звездного неба изменяется, если двигаться на север или на юг. Однако работа Аристотеля демонстрирует отсутствие понимания той важной роли, которую в изучении природы играет математика. Например, он даже не пытался использовать наблюдения за ночным небом на различных широтах, чтобы оценить длину окружности Земли. Его теория о том, что планеты движутся по круговым орбитам, центры которых сами вращаются по другим круговым орбитам, и Земля расположена в центре всего этого движения, только качественно описывала наблюдаемое движение планет; однако неспособность добиться количественного согласия с результатами наблюдений нисколько не беспокоила ни Аристотеля, ни множество его последователей.

Творческое использование математики в научных теориях началось в эллинистическую эру и продолжилось в греческой части Римской империи. Примерно в 150 г. н. э. Клавдий Птолемей доработал математическую теорию видимого движения планет, и теперь она довольно хорошо описывала результаты наблюдений. (В простейшей версии теории Птолемея планеты двигались по окружностям, названным эпициклами, центры которых перемещались по окружностям большего диаметра вокруг Земли.) С учетом современных знаний подобное совпадение не удивительно, поскольку в этой простейшей версии теория Птолемея позволяет получить в точности те же траектории видимого движения Солнца, Луны и планет, что и в рамках простейшей версии более поздней теории Коперника. Тем не менее на протяжении 1500 лет продолжалась дискуссия между последователями Птолемея, которых называли астрономами или математиками, и сторонниками Аристотеля, которых часто называли физиками. Птолемей ошибался насчет реального движения в Солнечной системе, но был прав относительно необходимости количественного согласия теории и результатов наблюдений.

Одним из величайших достижений научной революции XVI–XVII вв. стало установление современной связи между математикой и наукой. Математика высоко ценилась пифагорейцами, но только как форма нумерологии, и Платоном, но только как модель чисто дедуктивной науки, которая, как показал опыт, не работает. Современная связь между математикой и естественными науками была описана в 1690 г. Христианом Гюйгенсом в предисловии к его «Трактату о свете»:

Доказательства, приводимые в этом трактате, отнюдь не обладают той же достоверностью, как геометрические доказательства, и даже весьма сильно от них отличаются, так как в то время, когда геометры доказывают свои предложения с помощью достоверных и неоспоримых принципов, в данном случае принципы подтверждаются при помощи получаемых из них выводов; природа изучаемого вопроса не допускает, чтобы это происходило иначе[55][56].

Примечательно не то, что Гюйгенс понимал это, но то, что даже на исходе XVII в. нужно было специально оговаривать эту ситуацию.

Аристотель не видел необходимости в эксперименте — искусственном выстраивании обстоятельств, раскрывающих нам больше, чем естественный ход вещей. Можно предположить, что такое отношение было следствием его представлений о существовании принципиальных отличий между естественным и искусственным, согласно которым только естественный мир достоин изучения. Как и Платон, Аристотель считал, что понять вещи можно, только зная их предназначение. Подобные идеи мешали развитию методологии исследования мира.

Такое мнение об Аристотеле и его последователях — именно тот тип рассуждений о прошлом, которые проводятся с оглядкой на современность и часто осуждаются некоторыми историками. К примеру, выдающийся историк науки, покойный Дэвид Линдберг, говорил, что «нечестно и бессмысленно рассуждать об успехах Аристотеля по тому, насколько его идеи предвосхищали современную науку (как будто его целью было ответить на наши вопросы, а не на его собственные)»[57]. А во втором издании той же работы он написал: «Подходящая мера для любой философской системы или научной теории — это не то, в какой степени они предугадывают современные нам идеи, но то, в какой степени они преуспели в решении философских и научных проблем своего времени».

На мой взгляд, это абсурд. Задача науки не в том, чтобы отвечать на популярные вопросы эпохи, задача науки — в понимании устройства мира. Я не говорю, что мы заранее знаем, какой вариант мировоззрения возможен и удовлетворителен. Поиск такого мировоззрения — это одна из областей приложения науки. Некоторые вопросы (вроде «Из чего состоит наш мир?») — это хорошие вопросы, но ставятся они преждевременно. Никто не смог продвинуться в поиске ответа на этот вопрос до тех пор, пока в конце XVIII в. не появились методы точного измерения атомных весов химических элементов. Точно так же преждевременными оказались усилия, предпринятые Хендриком Лоренцем и другими теоретиками в начале XX в., направленные на объяснение структуры недавно открытого электрона: никому не удалось продвинуться в изучении структуры электрона до тех пор, пока в 1920-х гг. не появилась квантовая механика. Другие вопросы, например «Каково естественное место огня?» или «В чем предназначение Луны?», плохи сами по себе, поскольку они только уводят в сторону от реального понимания устройства мира. Значительная часть времени в истории науки была потрачена на то, чтобы выяснить, какие вопросы стоит задавать, а какие — нет.

Я вовсе не утверждаю, что виговский подход — единственный представляющий интерес подход в истории науки. Даже виговские историки могут заниматься изучением влияния общей культуры на развитие науки и, наоборот, науки на развитие культуры, не задаваясь вопросами о той роли, которую это развитие сыграло для прогресса современного научного знания. К примеру, атомистическая теория Демокрита продемонстрировала, как природа может функционировать без вмешательства богов, и потому веком позже она оказала огромное влияние на эллинистического философа Эпикура, а потом и на римского поэта Лукреция, и это влияние никак не зависело от того, имела ли эта теория хорошее обоснование по современным стандартам (нет, не имела). Аналогично, вы можете обнаружить влияние научной революции на общую культуру в поэзии Эндрю Марвелла. (Я имею в виду вполне конкретную его поэму «Определение любви».) Но влияние также распространялось и в обратном направлении. Социолог Роберт Мертон утверждал, что протестантизм подготовил почву для великих научных свершений XVII в. в Англии. Я не знаю, правда ли это, но мысль интересная.

Однако даже здесь имеется некий виговский элемент. Почему историки науки должны концентрироваться на интеллектуальной среде, скажем, эллинистической Греции или Англии XVII в., если в ней не происходило ничего, что способствовало бы продвижению науки к ее современному состоянию? История науки — это ведь не просто рассказ о хаотично сменявших друг друга интеллектуальных трендах, это история движения к истине. И хотя подобное движение отрицалось Томасом Куном, действующие ученые ощущают его существование. Так что виговская история не просто одна из нескольких интересных интерпретаций истории науки. Эволюция современной науки на протяжении многих веков — это прекрасная часть истории человеческой цивилизации, столь же важная и интересная, как и все остальные.

Кажется, что Баттерфилд и сам понимал легитимность виговского подхода в истории науки. В своем курсе лекций, прочитанном в 1948 г. в Кембридже, он признал историческую значимость научной революции, чего он никогда не признавал за английской Славной революцией, столь любимой вигами[58]. Я нахожу его оценку научной революции вполне виговской, и такое же впечатление сложилось и у других, в том числе у Руперта Холла, студента Баттерфилда[59]. Ранее в своем «Виговском подходе к истории» Баттерфилд уже показал, что в определенных условиях потенциально готов принять виг-интерпретацию истории. Он признал, что, если мораль является «абсолютной, одинаково присущей всем временам и пространствам», историк «теперь будет вынужден наблюдать, как возрастает осознание человечеством морального порядка или как человечество постепенно открывает этот порядок для себя». Несмотря на то что Баттерфилд был верным методистом, он не верил в существование абсолютного морального порядка, который раскрывается нам с помощью истории, религии или еще чего бы то ни было[60]. Однако он не сомневался, что существуют законы природы, одинаково присущие всем временам и пространствам. И именно такую историю возрастающего осознания законов природы надеются написать виговские историки физики, однако она не может быть рассказана без оглядки на наши современные знания о реальном мире.

8. Виговская история науки: обмен мнениями

Публикация статьи «С оглядкой на современность» (глава 7 этой книги) в свое время вызвала множество комментариев, приятных и не очень. В письме, написанном Рональдом Намберсом, выражалось негодование насчет моего замечания о высказывании Дэвида Линдберга «Подходящая мера для любой философской системы или научной теории — это не то, в какой степени они предугадывают современные нам идеи, но то, в какой степени они преуспели в решении философских и научных проблем своего времени», которое я назвал абсурдом. Такая реакция сильно меня огорчила, поскольку я глубоко уважаю и Линдберга, и Намберса, написавшими книги, которые многому меня научили. Но я все же считаю, что подходящий критерий оценки научной теории — это ее соответствие наблюдениям за реальным миром, а чтобы судить об этом соответствии, мы должны полагаться на современные научные идеи.

Так случилось, что журнал The New York Review of Books решил опубликовать только одно из писем с комментариями к моей статье. Это было письмо от Артура Сильверштейна, почетного профессора иммунологии Университета Джонса Хопкинса, который занимался и историей науки. Сильверштейн высказал два возражения к моей статье. Он утверждал, что виг-интерпретация может быть опровергнута изменениями в научном знании, и привел примеры из области иммунологии, а также вспомнил о неверной оценке возраста Земли, сделанной лордом Кельвином. Кроме того, он приписал мне точку зрения, согласно которой «историкам науки можно разрешить анализировать прошлое с позиций современных знаний (виг-интерпретация), тогда как другим так поступать нельзя». Мой ответ Сильверштейну приведен в этой главе. Его письмо и мой ответ были опубликованы в The New York Review of Books 25 февраля 2016 г.

Артур Сильверштейн высказал интересное замечание о виговской истории науки: якобы историкам сложно судить о том, кто в прошлом был прав и не прав, поскольку наши современные научные знания могут быть ошибочны. Конечно, никто не считает, что мы знаем все, но кое-что нам все-таки известно наверняка. Вспомним пример о Солнечной системе из моей статьи. Много веков было известно, что в споре со сторонниками Птолемея прав Коперник, а Ньютон прав в споре с последователями Декарта. Зная это, историк может оценить силу эстетического суждения в работе Коперника и математическую креативность и философскую объективность в работе Ньютона.

Сильверштейн верно говорит о том, что прогресс в науке продолжается (по крайней мере я на это надеюсь). Однако некоторые представления уже не изменятся. Действительно, после опровержения теорий флогистона и теплорода в XIX в. в точных науках больше не было общепринятых теорий, которые оказались бы в корне неверными. Расчет возраста Земли и Солнца, выполненный лордом Кельвином, о котором вспоминает Сильверштейн, не слишком хороший контрпример, даже учитывая, что возраст, определенный Кельвином, как теперь известно, был слишком мал. Его результаты не получили широкого признания, наоборот, они решительно опровергались геологами и биологами, поскольку для эволюционного развития жизни требовалось гораздо больше времени. Кельвин и сам понял, что Земля и Солнце могут быть старше, чем он рассчитал, если «некоторые новые источники [теплоты], неизвестные нам сейчас, были приготовлены в великой сокровищнице Сотворения»[61]. Тогда он не знал о ядерных реакциях, которые обеспечивают теплотой Землю и Солнце, но потрудился оценить вклад в тепловой баланс, обусловленный столкновениями Солнца с метеоритами.

Речь не о том, что, как только успешная теория создана и обоснована, наше понимание описываемых ею процессов больше никогда не изменится. С появлением общей и специальной теории относительности стало ясно, что законы движения и гравитации Ньютона являются приближенными и что они справедливы для тел, которые движутся в не слишком сильных гравитационных полях со скоростями много меньше скорости света. Однако это открытие не сделало работу Ньютона ошибочной и не воскресило теории Декарта. Как раз наоборот, теория относительности объяснила, почему теория Ньютона работает, когда она работает. В будущем теория относительности, несомненно, претерпит аналогичное переосмысление, возможно, в рамках теории струн, однако это уже не изменит наше виговское признание успехов Эйнштейна.

Еще Сильверштейн приписал мне точку зрения, согласно которой виговскими могут быть только историки науки, а остальные не могут. В своей статье я не собирался отказывать кому-либо в виговском понимании, однако я действительно не вижу, как такой подход может приниматься в истории искусства. Несколько лет назад Ричард Рорти обрушился на меня с критикой за это: «Он что, действительно не согласен с теми, кто считает, что поэты и художники стоят на плечах своих предшественников и аккумулируют знания о том, как писать поэмы и рисовать картины?»[62]

Да, я не согласен. Я не считаю, что в XX в. поэты и художники знали о своем ремесле больше, чем в XIX в. Какими бы прекрасными ни были некоторые поэмы и картины, созданные в XX в., я не знаю ни одного произведения, которое бы превзошло работы Китса или Моне, например. Конечно, это дело вкуса, вопрос, который нельзя решить каким-то исследованием, в отличие от вопроса о возрасте Земли. Но именно поэтому виг-интерпретация имеет смысл в истории науки и не имеет смысла в истории искусства.

II. Физика и космология

9. Что такое элементарная частица?

Текст этой главы был опубликован в 1997 г. в весеннем выпуске научно-популярного журнала Beam Line, который издается Национальной ускорительной лабораторией SLAC. Это был специальный выпуск, посвященный столетию открытия Томсоном электрона, первой частицы из тех, что мы теперь называем элементарными.

Текст статьи был написан раньше всех остальных в этом сборнике, тем не менее он все еще актуален и имеет непосредственное отношение к проблемам современной физики. И действительно, перечитав его спустя 20 лет после написания и спустя 120 лет после открытия электрона, я испытал некоторое сожаление из-за того, что вопрос, вынесенный в заголовок, все еще остается без ответа.

Если незнакомец, услышав, что я физик, спрашивает меня, в какой области физики я работаю, обычно я отвечаю, что занимаюсь теорией элементарных частиц, после чего всегда начинаю нервничать. Я жду следующего вопроса: «А что такое элементарная частица?», отвечая на который я должен буду признать, что на самом деле этого никто не знает.

Для начала хочу заявить, что объяснить значение термина «частица» совсем не сложно. Частица — это просто физическая система, у которой нет непрерывных степеней свободы, за исключением ее полного импульса. Например, мы можем полностью описать состояние любого электрона, указав его импульс и спин относительно любой заданной оси. (Спин — это величина, которая в квантовой механике может принимать только дискретное, а не непрерывное множество значений.)

С другой стороны, система, состоящая из свободного электрона и свободного протона — это уже не частица, поскольку, чтобы описать такую систему, нужно указать две непрерывные величины, то есть моменты и электрона, и протона, а не просто их сумму. Однако если электрон и протон связаны, как, например, в атоме водорода, находящемся на низшем энергетическом уровне, то вместе они образуют частицу. Любой согласится, что атом водорода — это не элементарная частица, но далеко не всегда так уж просто провести подобное разграничение или хотя бы даже сказать, что оно значит.

Несколько десятилетий, в начале XX в., казалось, что нет никаких проблем в том, чтобы объяснить, что такое элементарная частица. Томсон с помощью электрического поля в электронно-лучевой трубке смог оторвать электроны от атомов, так что атомы оказались не элементарными. От самих электронов невозможно ничего отделить, поэтому электроны считались элементарными. Когда в 1911 г. в лаборатории Эрнеста Резерфорда было доказано существование атомных ядер, предполагалось, что они не являются элементарными, поскольку было известно, что некоторые радиоактивные ядра испускают электроны и другие частицы, а кроме того, заряд и массу ядер можно было объяснить, допустив, что ядра состоят из двух типов элементарных частиц — легких, отрицательно заряженных электронов и тяжелых, положительно заряженных протонов.

Несмотря на отсутствие четкого определения термина «элементарная частица», мысль о том, что вся материя состоит всего из двух типов элементарных частиц, оказалась очень живучей и всепроникающей, как это ни странно с современной точки зрения. Например, когда в 1932 г. Джеймс Чедвик открыл нейтрон, общепринятым было предположение, что нейтроны — это некое сильно связанное состояние протонов и электронов. В своей статье, рассказывающей об открытии, Чедвик высказал мнение: «Конечно, можно предположить, что нейтрон — это элементарная частица. На текущий момент в пользу этой точки зрения очень мало аргументов, но одним из них является возможность объяснить статистические данные по ядру азота-14»[63]. (Некоторые могут подумать, что это очень весомый аргумент: исследование молекулярного спектра показало, что ядро азота-14 является бозоном, а это невозможно, если оно представляет собой связанное состояние протонов и электронов[64].) И только открытие независимости сил ядерного взаимодействия от электрического заряда, сделанное в 1936 г. Мерлом Тьювом и его коллегами, ясно показало, что нейтроны и протоны должны рассматриваться с одинаковых позиций: если протоны — это элементарные частицы, тогда и нейтроны должны быть элементарными тоже[65]. Сегодня зачастую используют общий термин «нуклон», когда говорят о протонах и нейтронах.

С этого начался существенный рост списка так называемых элементарных частиц. В 1937 г. он пополнился мюонами (хотя вплоть до недавнего времени их природа была неясна)[66], а пионы и странные частицы были открыты в 1940-х гг.[67] В 1930 г. Вольфганг Паули высказал предположение о существовании новых частиц — нейтрино, которые затем в 1933 г. вошли в теорию бета-распада Энрико Ферми, однако обнаружить эти частицы удалось только в 1955 г. в эксперименте Райнеса-Коуэна[68]. Позже, в конце 1950-х гг., благодаря ускорителям и пузырьковым камерам удалось открыть огромное множество новых сильно взаимодействующих частиц, более тяжелых родственников нуклонов и пионов.

Теоретики полагали, что типов элементарных частиц не должно быть слишком много, а значит, большая их часть состоит из ограниченного набора типов элементарных частиц. Однако для таких связанных состояний должны быть характерны очень сильные взаимодействия, которые не наблюдались в атомах или атомных ядрах. Например, пионы намного легче нуклонов и антинуклонов, поэтому если пион — это связанное состояние нуклона и антинуклона, как предполагали Ферми и Чжэньнин Янг, тогда его отрицательная энергия связи должна быть достаточно большой, чтобы скомпенсировать почти всю массу составляющих частиц. Составная природа такой частицы далеко не очевидна.

Каким образом можно определить, какие частицы являются элементарными, а какие — составными? Как только этот вопрос был сформулирован, стало понятно, что старый ответ, согласно которому частицы признаются элементарными, если от них невозможно ничего отделить, уже неверен. Пионы образуются, когда протоны сталкиваются друг с другом, а протоны и антипротоны испускаются при столкновении пионов с достаточно высокими энергиями, так что из чего состоит? Джеффри Чу и другие исследователи в 1950-х гг. превратили эту дилемму в принцип, известный теперь как «ядерная демократия», который гласит, что любая частица может считаться связанным состоянием любых других частиц, имеющих соответствующий заряд, спин и т. д. Позже, в 1975 г., эта точка зрения получила свое отражение в докладе Вернера Гейзенберга для Немецкого физического сообщества, где он отметил:

Эта новая ситуация подтверждалась в экспериментах 1950–1960-х гг. снова и снова; было найдено множество новых частиц с разными временами жизни, но ответа на вопрос «из чего состоят эти частицы?» по-прежнему не было. Протон можно получить из нейтрона и пиона, или из лямбда-гиперона и каона, или из двух нуклонов и одного антинуклона и т. д. Можем ли мы в таком случае просто утверждать, что протон состоит из непрерывной материи? Подобное утверждение будет одновременно верным и ошибочным: между элементарными частицами и составными системами нет принципиальной разницы. Вероятно, это важнейший экспериментальный результат последних 50 лет[69].

Задолго до того, как Гейзенберг пришел к этому слегка преувеличенному заключению, широкое распространение получило другого рода определение элементарной частицы. С позиций квантовой теории поля, разработанной Гейзенбергом, Паули, Виктором Вайскопфом и другими в период с 1926 по 1934 г., основными компонентами природы являются не частицы, а поля. Частицы, такие как электрон и фотон, представляют собой сгустки энергии электронного поля и электромагнитного поля, соответственно. Будет естественным назвать элементарной такую частицу, поле которой фигурирует в фундаментальных полевых уравнениях, или, как обычно формулируют теоретики, в функции, называемой лагранжианом системы, из которой можно вывести все полевые уравнения. Не имеет значения, является частица легкой или тяжелой, стабильной или нет: если ее поле появляется в лагранжиане, то частица элементарная, а если не появляется, тогда нет.

Это прекрасное определение, если полевые уравнения или лагранжиан известны, но на протяжении долгого времени физики их не знали. Большое количество теоретических работ в 1950-х и 1960-х гг. было посвящено попыткам найти некоторые объективные методы определения, является та или иная частица элементарной или составной, если фундаментальная теория неизвестна. Оказалось, что при определенных условиях это можно сделать в нерелятивистской квантовой механике, если элементарную частицу определить как частицу, координаты и скорость которой появляются в лагранжиане системы. Например, теорема математика Нормана Левинсона показывает, как посчитать число типов стабильных неэлементарных частиц за вычетом числа типов нестабильных элементарных частиц через изменения фазовых сдвигов при увеличении энергии движения от нуля до бесконечности[70]. Сложность в использовании этой теоремы связана с тем, что она оперирует фазовыми сдвигами при бесконечной энергии, когда приближение нерелятивистского рассеяния, используемое при выводе теоремы, очевидно нарушается.

В 1960-х гг. я был сильно озадачен этой проблемой, но тогда мне только удалось показать, что дейтрон (ядро тяжелого водорода) состоит из протона и нейтрона[71]. Не самое выдающееся достижение, — все уже и так догадались, что дейтрон является составной частицей, — однако я показал это на основе только нерелятивистской квантовой механики и данных о низкоэнергетическом нейтрон-протонном рассеянии без использования каких-то специальных допущений о лагранжиане или о процессах, происходящих при высоких энергиях. Существует классическая формула для расчета вероятности нейтрон-протонного рассеяния через массу нуклона и энергию связи дейтерия, но вывод этой формулы основан на предположении о том, что дейтрон состоит из протона и нейтрона. Если мы вместо этого предположим, что лагранжиан содержит элементарное состояние дейтрона, тогда эта формула окажется неверной и мы получим соотношение, в которое входят не только масса нуклона и энергия связи дейтерия, но еще и доля времени, когда дейтрон существует как элементарная частица. Сопоставление расчетов по этим формулам с экспериментальными данными показало, что время, в течение которого дейтрон существует как элементарная частица, составляет менее 10 % от времени его жизни. К сожалению, аргументы подобного рода не могут быть использованы для анализа сильно связанных состояний, которые возникают в некоторых теориях элементарных частиц.

Отсутствие какой-либо чисто эмпирической методики, позволяющей различать составные и элементарные частицы, не означает, что такое разделение бесполезно. В 1970-е гг. казалось, что различия между элементарными и составными частицами будут более очевидными после того, как стала общепринятой квантово-полевая теория элементарных частиц, известная как Стандартная модель. Существует шесть вариантов, или ароматов, кварков, каждый из которых имеет три цвета — это что-то вроде электрического заряда; шесть ароматов лептонов, к которым относится электрон; и 12 частиц, которые называются калибровочными бозонами. В число этих 12 частиц входит фотон, который переносит электромагнитное взаимодействие, восемь глюонов, которые переносят сильное ядерное взаимодействие, а также W+, W— и Z^0-частицы, которые переносят слабое ядерное взаимодействие. Протон, нейтрон и все сотни сильно взаимодействующих частиц, обнаруженные после Второй мировой войны, в итоге оказались неэлементарными; они состоят из кварков, антикварков и глюонов. Речь не идет о том, что мы можем отделить кварки, антикварки и глюоны от этих неэлементарных частиц. Считается, что это невозможно. Точнее будет сказать, что кварки, антикварки и глюоны считаются элементарными, поскольку их поля фигурируют в уравнениях теории.

Единственной не ясной пока стороной Стандартной модели является механизм нарушения симметрии слабого и электромагнитного взаимодействий, который придает W- и Z-частицам их массы. Если бы у W- и Z-частиц не было массы, то они имели бы всего два спиновых состояния, как у невесомого фотона с его правой и левой поляризацией, тогда как массивные частицы со спином 1 имеют три спиновых состояния; таким образом, нарушение симметрии, в результате которой W- и Z-частицы получают массу, добавляет дополнительные спиновые состояния W- и Z-частицам. Теории нарушения электрослабой симметрии можно разделить на две категории в зависимости от того, являются ли дополнительные квантовые состояния элементарными, как в исходной форме Стандартной модели, или составными, как в теориях техницвета. В некоторой степени основная задача, для решения которой проектировались Большой адронный коллайдер и злополучный Сверхпроводящий суперколлайдер, заключалась в том, чтобы окончательно решить вопрос, каким частицам соответствуют дополнительные спиновые состояния W- и Z-частиц — элементарным или составным[72].

На этом история могла бы закончиться, но с конца 1970-х гг. наше понимание квантовой теории поля сделало еще один поворот. Мы осознали, что любые частицы при достаточно низких энергиях могут быть описаны с помощью полей, входящих в так называемые эффективные квантовые теории, независимо от того, являются ли эти частицы элементарными или нет. Например, даже если поля нуклонов и пионов не появляются в уравнениях Стандартной модели, мы можем рассчитать скорости процессов с участием низкоэнергетических пионов и нуклонов с помощью эффективной квантовой теории поля, в которой фигурируют поля пионов и нуклонов, а не кварков и глюонов. В рамках такой теории пионы и нуклоны являются элементарными частицами, а атомные ядра — нет. Если мы используем теорию поля подобным образом, мы просто следуем общим принципам релятивистских квантовых теорий с учетом соответствующих симметрий; на самом деле мы не делаем никаких допущений о фундаментальных физических структурах.

С этой точки зрения мы имеем право говорить только о том, что кварки и глюоны «более элементарны», чем нуклоны и пионы, поскольку их поля фигурируют в Стандартной модели — теории, которая применима в более широком диапазоне энергий, чем эффективная теория поля, описывающая нуклоны и пионы при низких уровнях энергии. Мы не можем прийти к какому-то окончательному решению об элементарности самих кварков и глюонов. Стандартная модель является, вероятно, только эффективной квантовой теорией поля, приближением к более фундаментальной теории, для раскрытия деталей которой потребуются энергии частиц, намного превышающие возможности современных ускорителей, и возможно, в этой теории можно будет вообще обойтись без кварков, лептонов или калибровочных полей.

Есть вероятность, что кварки, лептоны и другие частицы Стандартной модели сами состоят из еще более элементарных частиц. Тот факт, что мы не видим структуру кварков и лептонов, говорит только о том, что энергия связи в этих частицах должна быть довольно высока — больше нескольких триллионов электронвольт. И на сегодняшний день никому пока не удалось разработать убедительную теорию для таких систем.

Мы не сможем дать окончательный ответ на вопрос, какие из частиц являются элементарными, пока у нас не будет окончательной теории взаимодействий и теории материи. Когда у нас появится такая теория, мы, возможно, обнаружим, что элементарные физические структуры вовсе не являются ни частицами, ни полями. Многие теоретики считают, что фундаментальная теория должна представлять собой что-то вроде теории струн, в которой кварки, лептоны и т. д. всего лишь различные моды колебаний элементарных струн. А определить какой-то один набор струн в качестве элементарных, кажется, невозможно в принципе, поскольку, как недавно стало понятно, разные теории струн с разными типами струн зачастую эквивалентны.

Из всего этого можно вынести один урок. Задача физики не в том, чтобы ответить на набор неизменных вопросов о природе, вроде вопроса об элементарных частицах. Мы не знаем заранее, как правильно сформулировать вопрос, и зачастую мы сможем это выяснить, только когда окажемся близки к ответу на него.

10. Всё ещё неизвестная Вселенная

В июле 2010 г. редактор журнала The New York Review of Books Роберт Сильверс обратился ко мне с просьбой написать рецензию на новую книгу Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова «Высший замысел» (The Grand Design, Bantam Books, 2011)[73]. Обычно я рецензирую книгу только в том случае, когда вижу, что это даст мне возможность высказаться по некоторой интересующей меня проблеме. Пролистывая присланный Сильверсом сигнальный экземпляр, я понял, что в книге рассматривается по-настоящему серьезный вопрос, который занимал меня многие годы: действительно ли то скопление галактик, которое мы наблюдаем вокруг нас, расширяется во всех направлениях на миллиарды световых лет и представляет собой всю Вселенную, или это лишь часть одной из множества подобных вселенных, составляющих Мультивселенную, в которой фундаментальные физические константы имеют различные значения и, возможно, даже сами законы природы принимают разные формы?

Мы не знаем, является ли гипотеза о Мультивселенной верной, но она не лишена смысла. Существует целый ряд гипотетических теорий (теория струн, инфляционная модель и т. п.), которые подразумевают существование Мультивселенной. Никто точно не знает, действительно ли мы живем в Мультивселенной, но если это так, то мы можем сделать важный вывод, который не зависит от того, какая фундаментальная теория лежит в ее основе. Очевидно, что, если физические константы и законы в разных вселенных отличаются, то те константы и законы, которые мы наблюдаем, должны обеспечивать возможность существования разумной жизни в соответствующей вселенной. Таким образом, если окажется, что наблюдаемые нами физические константы и законы идеально подходят для возникновения разумной жизни, тогда нам уже не нужно будет искать объяснение в виде некоторого благожелательного создателя; просто в Мультивселенной все именно так и должно быть. Подобные рассуждения были предложены в качестве возможного объяснения тому факту, что количество темной энергии намного меньше, чем можно было бы ожидать, руководствуясь любыми другими теориями.

Моя рецензия была опубликована в журнале The New York Review of Books 10 февраля 2011 г. Как отмечено в тексте рецензии, некоторых религиозных деятелей расстроила подобная «антропная» аргументация. Однако я не упомянул в рецензии, что расстроились и некоторые хорошие ученые. Я слышал, что Дэвид Гросс (один из создателей современной теории сильного ядерного взаимодействия, директор Института теоретической физики им. Кавли в Санта-Барбаре) сказал о теории Мультивселенной: «Ненавижу ее». Причина понятна. Мы, физики, надеемся, что однажды поймем значение фундаментальных констант, исходя из первых основополагающих принципов, без привлечения антропных аргументов, которые никогда не дадут нам ничего лучше, чем диапазон ожидаемых значений. И я определенно разделяю эту надежду. А вот чего я не разделяю, так это опасений о том, что антропные аргументы слишком расслабят физиков и те откажутся от дальнейших поисков основополагающих принципов, которые смогут объяснить все, что мы наблюдаем. В недавней статье в Nature астроном из Гарварда Ави Лёб представил точку зрения, согласно которой антропный аргумент «сдерживает столь необходимые попытки объяснить темную энергию через альтернативную теорию, которая объединит квантовую механику и гравитацию»[74]. Я не знаю ни одного теоретика, который не предпочел бы такую альтернативную теорию антропному объяснению и согласился бы с тем, что нам нужно отказаться от дальнейших поисков такой теории. Да, это нелегкий поиск, и мы даже точно не знаем, существует ли то, что мы ищем.

В 1992 г. я вместе с другими физиками участвовал в лоббировании финансирования строительства мощного ускорителя элементарных частиц, Сверхпроводящего суперколлайдера. У нас родилась блестящая идея провести семинар для членов палаты представителей, на котором мы объяснили бы важность такой установки для научных исследований. На семинар пришли три конгрессмена. После нашего выступления представитель демократов из Мэриленда сказал нам, что поддержит суперколлайдер, если мы сможем заверить его в том, что это поможет работе Стивена Хокинга.

Этот эпизод показывает, что Хокинг как ученый достиг того уровня популярности, выше которого в XX в. удалось взобраться только Альберту Эйнштейну и, может быть, Мари Кюри и Ричарду Фейнману. Я не говорю, что слава Хокинга незаслуженная. Будучи еще совсем молодым человеком, он представил блестящую математическую работу (выполненную совместно с Роджером Пенроузом), в которой доказал, что, согласно ОТО, существуют условия, когда коллапс, то есть бесконечное сосредоточение энергии в бесконечно искривленном пространстве-времени, становится неизбежным. Позже он показал, что черные дыры излучают энергию, и теперь это излучение называется излучением Хокинга. Он был одним из первых, кто использовал квантовую механику для расчета свойств флуктуаций распределения энергии в ранней Вселенной, тех самых малых флуктуаций, которые в итоге привели к образованию галактик, наблюдаемых нами сегодня. Всего этого и даже большего Хокинг достиг несмотря на свою прогрессирующую болезнь, которая сломила бы любого, не обладающего столь выдающимся мужеством.

Книга Хокинга, выпущенная в 1988 г., имела ошеломительный успех, настолько огромный, что в течение некоторого времени после ее выхода издатели выдавали авторам других научно-популярных книг (в том числе и мне) нереальные авансы в тщетной надежде добиться столь же высоких продаж. Недавно Хокинг предложил вниманию массового читателя новую книгу «Высший замысел» (The Grand Design), на этот раз написанную в соавторстве с физиком из Калифорнийского технологического института Леонардом Млодиновым.

В рецензиях на эту книгу, которые я видел, преимущественно говорится об отсутствии Бога во Вселенной Хокинга, как будто в этом есть что-то удивительное[75]. Подобная реакция на книгу кажется мне довольно глупой. Основная мысль Хокинга состоит в том, что для понимания устройства космоса Бог нам не требуется. Ученые могут спорить о том, насколько хорошо мы понимаем космос, но лишь немногие из них чувствуют, что для заполнения белых пятен необходим именно Бог. В книге «Кратчайшая история времени» (A Brief History of Time)[76], посвященной возможному будущему открытию полной теории материального мира, Хокинг написал, что «тогда мы познаем сознание Бога». Но это была просто метафора, как и высказывание Эйнштейна о том, что Бог не играет в кости со Вселенной. В «Высшем замысле» Хокинг избегает подобных метафор, вероятно чтобы не допустить неверного толкования своих слов.

Один из обсуждаемых Хокингом в книге вопросов имеет прямое отношение к религии. Я имею в виду авторскую трактовку набирающей популярность среди физиков идеи о том, что расширяющееся облако галактик, которое мы называем Вселенной, простирающейся на десятки миллиардов световых лет во всех направлениях, может оказаться только частью гораздо более масштабной Мультивселенной. Предполагается, что Мультивселенная содержит множество других частей, которые тоже можно назвать вселенными, где даже законы природы могут кардинально отличаться от наблюдаемых нами.

Если гипотеза о Мультивселенной верна, тогда тот факт, что наблюдаемые законы природы благоприятствуют возникновению жизни, теряет свой особый смысл, который воспринимается некоторыми как доказательство существования Божественного творца. Например, если бы один из двух кварков, составляющих атомное ядро, был намного тяжелее или намного легче другого, тогда в стабильном состоянии могли бы существовать всего несколько химических элементов, а вовсе не то богатое меню имеющихся элементов, которые, видимо, необходимы для жизни. Выводы Хокинга из подобных примеров идут дальше моих: для того чтобы обеспечить изобилие химических элементов, необходимых для жизни, строгая и точная подстройка массы кварков не нужна.

Однако один из приведенных Хокингом примеров демонстрирует действительно тонкую настройку фундаментальных физических констант, без которой появление жизни оказалось бы невозможным. Пример этот связан с темной энергией, энергией пустоты. В 1998 г. астрономы обнаружили, что скорость расширения Вселенной растет, и это ускорение обычно объясняют существованием темной энергии. Однако есть некоторая странность в количестве этой самой темной энергии. Мы можем рассчитать отдельные слагаемые, определяющие количество темной энергии (фактически эти расчеты были выполнены несколькими физиками-теоретиками еще до 1998 г.). Оказалось, что величина рассчитанных слагаемых настолько велика, что если они не компенсируются какими-то другими отрицательными вкладами, то скорость расширения Вселенной должна быть намного выше наблюдаемого значения: при столь быстром расширении формирование удерживаемых гравитацией систем, таких как галактики, звезды и планеты, было бы невозможным. Компенсация в принципе возможна, поскольку существуют другие составляющие общего баланса темной энергии, которые мы не можем рассчитать отчасти потому, что они зависят от неизвестных нам факторов, и именно эти составляющие могли бы компенсировать рассчитанные нами вклады в балансе темной энергии. (Одним из таких неизвестных нам факторов, влияющих на количество темной энергии, является величина так называемой космологической константы, предложенной Эйнштейном в 1917 г. и использованной для модификации уравнений, описывающих гравитационное поле в рамках общей теории относительности.) Для того чтобы образование удерживаемых гравитацией систем было возможно, а скорость расширения Вселенной соответствовала наблюдаемой, фундаментальные физические константы, например космологическая постоянная, должны быть очень точно подстроены. Их значения должны быть такими, чтобы компенсация вкладов в балансе темной энергии осуществлялась с точностью до 56 значащих цифр.

С другой стороны, Мультивселенная должна состоять из огромного множества частей, поэтому такие величины, как масса кварков, космологическая постоянная Эйнштейна и другие физические константы, будут иметь широкий диапазон возможных значений. Весьма вероятно, что в большинстве этих частей Мультивселенной физические константы вроде массы кварков, космологической постоянной и даже, возможно, размерности пространства принимают значения, при которых возникновение жизни невозможно. Но при достаточно широком диапазоне значений этих констант, характерных для различных частей Мультивселенной, обязательно найдутся такие области, в которых может возникнуть жизнь. Очевидно, что не стоит удивляться и искать космической щедрости в том, что мы оказались в одном из таких благословенных миров, как не стоит искать признаки существования Божественного творца в том, что среди миллиардов планет, входящих в Галактику, наша эволюция произошла на одной из немногих, пригодных для жизни. Ну а где же еще нам быть, кроме как на планете, способной поддерживать условия для жизни?

Хокинг цитирует известное высказывание архиепископа Вены, который в 2003 г. обрушился с критикой на гипотезу Мультивселенной как нечто «выдуманное для отвлечения внимания от ошеломляющих научных доказательств высшего замысла». Неплохо. По словам Хокинга, гипотеза Мультивселенной предложена не для того, чтобы объяснить чудо тонкой подстройки. Он рассматривает два разных направления мысли, которые привели физиков к формулировке гипотезы Мультивселенной, и ни одно из них никак не было связано с обоснованием условий, необходимых для жизни.

Одно из направлений возникло в рамках хаотической теории инфляции, разработанной Андреем Линде. Инфляцией называется экспоненциально быстрое расширение Вселенной на ранней стадии ее существования, подобное росту суммы денег на банковском счете при условии начисления 100 % дохода каждые 10–38 с[77]. Современная наука считает, что такой экспоненциальный рост предшествовал более стабильной поздней стадии расширения Вселенной. Согласно первоначальной идее Алана Гута (которая до сих пор используется в большинстве расчетов), инфляция должна была происходить равномерно во всем пространстве. Однако ни одна теория не описывает подобную однородность. Кажется более естественным предположить, что на очень больших масштабах Вселенная, пронизанная бурно флуктуирующими полями, хаотична и что только по чистой случайности в некоторых областях пространства время от времени возникают условия, позволяющие им экспоненциально расширяться. В редких случаях такие области вырастают в нечто, составляющее нашу Вселенную, в которой возможно существование жизни.

Еще одна гипотеза о Мультивселенной пришла из квантовой механики — математической основы для всех областей физики. Самой большой странностью квантовой механики является так называемая суперпозиция состояний. Иногда (а точнее, почти всегда) частица не занимает какое-то конкретное положение в пространстве, а находится в суперпозиции, и тогда измерение положения частицы может дать любой из возможных результатов с той или иной вероятностью, в зависимости от природы суперпозиции. В принципе, как заметил в свое время Эрвин Шрёдингер, даже кот может быть в суперпозиции состояний, в одном из которых он жив, а в другом — мертв. Аналогично все мироздание может находиться в суперпозиции множества различных состояний, в которых физические константы, такие как масса кварков, принимают самые разные значения, и лишь малая доля этих состояний обеспечивает условия для возникновения жизни.

Все это лишь умозрительные гипотезы, но они не уникальны. Эти теории широко обсуждаются физиками. Хокинг занял несколько необычную позицию, выдвинув предположение о том, что Мультивселенная образовалась в результате квантово-механической суперпозиции состояний, поскольку на самой ранней стадии формирования Вселенной все ее четыре измерения были пространственными, а времени не существовало. Я даже не буду пытаться объяснять, как это устроено, поскольку не считаю эту гипотезу убедительной. Действительно, Хокинг показал, что для удобства вычислений при анализе процессов в ранней Вселенной можно математически преобразовать временное измерение в пространственное. Однако это не означает, что в ранней Вселенной время на самом деле было пространством. В 1950-х гг. другие теоретики, среди которых был Джулиан Швингер, рассчитали тонкие эффекты атомной физики и физики частиц, используя такое преобразование временно́го измерения в пространственное, однако полезность этого математического приема не изменяет того факта, что сегодня мы живем в мире, имеющем три пространственных измерения и одно временное.

В последние годы гипотеза Мультивселенной получила широкую поддержку благодаря развитию так называемой теории струн. Теперь принято считать, что все известные варианты теории струн и множества других теорий представляют собой приближенные решения некоторой неизвестной фундаментальной теории, которую Хокинг называет М-теорией. Эти приближенные решения описывают разные наборы частиц или полей или мембраны в пространственно-временных системах различных размерностей, характеризующихся разным набором фундаментальных физических констант. Предположительно эти многочисленные решения М-теории, реализуются в разных частях Мультивселенной.

Хокингу удается создать видимость, что эта фундаментальная теория понятнее, чем есть на самом деле, когда говорит, что она описывает 11-мерное пространство-время. Термин «М-теория» был предложен Эдвардом Виттеном в 1995 г. (Виттен никогда не утруждался объяснениями, что означает буква М.) М-теория Виттена действительно представляет собой 11-мерную теорию частиц и мембран, однако эта теория была предложена только как одно из множества приближенных решений неизвестной фундаментальной теории, но не как сама фундаментальная теория. У нас нет понимания, какой размерности должна быть эта основополагающая теория. Многие теоретики считают, что это не теория пространства-времени, а что сами пространство и время возникают только как приближенные решения фундаментальной теории.

Если мы так мало знаем об этой фундаментальной теории, то почему же считаем, что она должна существовать? В качестве аргумента Хокинг ссылается на то обстоятельство, что в ситуации, когда два варианта теории струн или других предлагаемых приближенных решений фундаментальной теории должны быть справедливы, тогда, как показывают расчеты, два решения согласуются друг с другом. (Эту важную мысль высказал Виттен в своей выдающейся лекции, прочитанной в 1995 г. в Университете Южной Каролины.) Хокинг использует очень полезную аналогию с картами разных регионов Земли. Мы можем разделить всю поверхность Земли на пересекающиеся области так, чтобы каждая область не превышала нескольких сотен километров в поперечнике, то есть была достаточно небольшой, и расстояния и направления, измеренные по такой карте, давали бы хорошее приближенное представление о действительных расстояниях и направлениях на поверхности Земли. Даже если мы не будем знать заранее, что все эти карты описывают единую цельную поверхность, мы сможем выяснить это, заметив, что карты любых двух перекрывающихся участков одинаково изображают то место, где они перекрываются. Поверхность Земли в рамках этой аналогии соответствует фундаментальной теории (М-теории Хокинга), а отдельные карты — разным приближенным решениям этой теории.

Хокинг высказывает поразительное и тревожное предположение, что, возможно, не существует основополагающей теории и максимум, на что мы можем рассчитывать, это на набор приближенных теорий, каждая из которых справедлива при определенных условиях и согласуется с другими там, где эти условия пересекаются. Здесь прекрасная аналогия с картами земной поверхности рушится. Это правда, что невозможно создать достоверную карту всей сферической поверхности Земли на плоском листе бумаги, но, в конце концов, существует не только пачка пересекающихся приближенных карт, но и сама Земля.

Более того, Хокинг крайне скептически смотрит на реальность в целом. Это отношение можно заметить в его утверждении, что в квантовой механике «у Вселенной не одна-единственная история, но бесконечное множество отдельных историй». Это верно, если историю понимать в терминах классической физики как непрерывное движение частиц из одной точки в другую в каждое следующее мгновение. Я же предпочитаю иной взгляд на квантовую механику. Вселенная или любая другая система все же имеет четко определенную историю, но при этом в каждый отдельный момент времени непрерывно изменяются не положения частиц или величины полей, а нечто, называемое вектором состояния. Это вектор в бесконечномерном Гильбертовом пространстве, и направление вектора задает состояние системы в каждый отдельный момент времени. Направление вектора описывает не состояние частицы с четко определенным положением в пространстве, а суперпозицию таких состояний. Именно поэтому квантовая механика кажется такой загадочной. Однако если использовать ее язык, то ничего странного в истории физических систем нет. Направление вектора состояния изменяется во времени совершенно точно и детерминированно. Говорить о том, что у материального мира нет четко определенной истории, можно, только если продолжать описывать мир языком классической физики.

Хокинг хорошо показывает, как ученые решают, что действительно реально: мы строим рациональные модели, которые с некоторой степенью точности и в некотором диапазоне явлений согласуются с результатами наблюдений. Но Хокинг называет такой подход «модельно-зависимой реальностью» и считает, что это все, что мы можем сказать о реальности.

Вопросы о природе реальности озадачивали ученых и философов тысячи лет. Как и большинство людей, я думаю, что реальность существует и она совершенно независима от нас и наших моделей, как Земля независима от наших карт ее поверхности. Но я так думаю, поскольку не могу не верить в объективную реальность, а не потому, что у меня есть хорошие аргументы. Я не готов утверждать, что антиреализм Хокинга ошибочен. Но я настаиваю, что ни квантовая механика, ни любая другая физическая теория не сможет ответить на этот вопрос.

В книге Хокинга есть еще несколько мест, где автор переоценивает способность науки отвечать на глубокие философские вопросы. На основе общих идей детерминизма и результатов экспериментов, которые демонстрируют влияние физических факторов на наше поведение, он делает вывод об отсутствии свободы воли. Иллюзию свободы воли он объясняет тем, что человеческое тело состоит из примерно тысячи триллионов триллионов частиц, поэтому с практической точки зрения невозможно предсказать поведение людей. Но я бы сказал, что свобода воли — это только наш сознательный опыт, помогающий принимать решения. И этот опыт не умаляется из-за того, что в результате действия законов физики я неизбежно захочу принять определенные решения. Грозовые молнии тоже состоят из многих триллионов триллионов частиц, и их поведение также труднопредсказуемо, однако мы не приписываем им свободу воли, поскольку не считаем, что они обладают сознательным опытом принятия решений.

На самой первой странице Хокинг пишет, что философия отстала в развитии от современной науки, от физики особенно. А я бы сказал, что пусть философы и не приблизились к решению древних вопросов философии, но и физики не слишком преуспели.

Не поймите меня неправильно. «Высший замысел» — прекрасная книга, которая знакомит читателя с передним краем теоретической физики и объясняет некоторые научные идеи (например, фейнмановскую трактовку квантовой механики) широкому читателю намного понятнее, чем в книгах, которые мне приходилось видеть ранее. Мои представления серьезно расходятся с Хокингом только в тех вопросах, которые разделяют физиков и философов, но не в тех, которые могут быть легко разрешены.

Тем не менее, поскольку я время от времени читаю курс по истории науки в Университете Техаса, я чувствую своим долгом указать на некоторые фактические ошибки в рецензируемой книге.

Возможно, по причине своего антиреализма, Хокинг утверждает, что преимущество модели Солнечной системы, предложенной Коперником, перед моделью Птолемея состояло в том, что «уравнения движения, записанные в системе координат, в которой Земля неподвижна, оказываются намного проще». Это не так: первое очевидное свидетельство превосходства модели Коперника было связано не с уравнениями движения, опубликованными Ньютоном в 1687 г., а с результатами наблюдений фаз Венеры, полученными Галилеем в 1610 г., которые ясно подтверждали правоту Коперника в споре с Птолемеем[78].

Хокинг утверждает, что сохранился только один из расчетов, выполненных Аристархом, в котором Аристарх проанализировал размер тени, отбрасываемой Землей на поверхность Луны в процессе лунного затмения, и на основе этого анализа пришел к выводу, что Солнце намного больше Земли. Однако Аристарх никогда бы не смог сделать такой вывод самостоятельно на основе наблюдений за лунным затмением. На самом деле по его сохранившейся работе видно, что Аристарх использовал также измерения видимых размеров (в долях прямого угла) Солнца и Луны, а также тот факт, что угол между зрительными линиями, направленными на Солнце и Луну в фазе, когда Луна наполовину затенена, немного отличается от прямого.

Открытие равенства углов падения и отражения луча от зеркальной поверхности Хокинг приписывает Архимеду. В сохранившихся работах Архимеда нет ничего, что относилось бы к закону отражения, хотя он мог написать об этом в одной из утерянных ныне книг. Принято считать, что закон отражения был открыт Евклидом, который работал за сотню лет до Архимеда, однако современные историки не уверены, кто именно открыл закон отражения. Если все-таки нужно кому-то приписать это открытие, я бы проголосовал за Герона Александрийского (жившего, правда, позже Евклида и Архимеда), который не только сформулировал, но и доказал этот закон, исходя из предположения о том, что путь, пройденный отраженным лучом между объектом и наблюдателем, должен быть минимальным.

Такие несущественные ошибки ничуть не снижают ценности этой увлекательной книги и могут быть легко исправлены в будущих изданиях.

11. Разнообразие симметрий

История физики XX в., начиная со СТО Эйнштейна, во многом связана с открытием принципов симметрии и различных способов проявления этих симметрий в физических явлениях. Во всяком случае, в своих работах я имел дело с симметриями того или иного рода. Я был рад, когда в августе 2009 г. меня пригласили в Технический университет Будапешта выступить на конференции, посвященной симметрии, во-первых, потому, что появилась возможность предложить собственный взгляд на симметрию, а во-вторых, потому, что я никогда раньше не был в Будапеште. Сокращенная версия моего выступления опубликована в журнале The New York Review of Books 27 октября 2011 г. Расширенный вариант текста, приведенный в этой главе, вышел в 2012 г. в журнале Symmetry: Culture and Science и почти полностью соответствует тексту моего выступления в Будапеште.

Когда в конце 1950-х гг. я начал свою исследовательскую деятельность, мне казалось, что физика находится в печальном состоянии. Десятью годами ранее был достигнут значительный успех в квантовой электродинамике, науке об электронах, фотонах и их взаимодействии. Затем физики научились с беспрецедентной для всей науки точностью рассчитывать такие вещи, как магнитное поле электрона. Но теперь мы столкнулись с недавно открытыми экзотическими частицами, часть которых существует только в космических лучах и больше нигде. А еще нам пришлось иметь дело с загадочными силами: сильным ядерным взаимодействием, которое удерживает частицы вместе внутри атомного ядра, и слабым ядерным взаимодействием, которое может изменять тип этих частиц. Не существовало теории, которая могла бы описать эти частицы и взаимодействия, а когда мы предприняли попытку создать такую теорию, то обнаружили, что либо не можем просчитать следствия из этой теории, либо получаем бессмысленные результаты вроде бесконечных значений энергии или бесконечных значений вероятности. Казалось, что природа, как находчивый противник, намеревается скрыть от нас свой генеральный план.

При этом у нас был ценный ключ к секретам природы. Законы физики, очевидно, подчинялись определенным принципам симметрии, последствия которых мы могли рассчитать и сравнить с результатами наблюдений, даже не имея обстоятельной теории частиц и взаимодействий. Мы как будто внедрили шпиона в высшее командование врага.

Здесь мне следует остановиться и пояснить, что́ физики подразумевают под принципами симметрии. В разговорах с друзьями — не физиками и не математиками — я вижу, что, упоминая симметрию, они подразумевают идентичность двух частей чего-то симметричного — вроде бабочки или человеческого лица. Действительно, это тоже симметрия, но только один простой частный случай огромного разнообразия возможных вариантов симметрии.

Оксфордский словарь английского языка объясняет нам, что симметрия — это «свойство целого, состоящего из совершенно подобных частей». Хороший пример — куб. Каждая его грань, каждое ребро и каждая вершина абсолютно идентичны всем другим граням, ребрам и вершинам. Именно поэтому игральные кости имеют кубическую форму: если кубическая игральная кость сделана честно, то при броске вероятности выпадения любой из шести цифр будут одинаковы.

Куб — это представитель малой группы правильных многогранников — твердых тел с гранями в виде плоских многоугольников, которые отвечают условиям симметрии, требующим, чтобы каждая грань, каждое ребро и каждая вершина были абсолютно идентичны всем остальным граням, ребрам и вершинам.

Платон был очарован правильными многогранниками. Он узнал (вероятно, у математика Теэтета), что существует всего пять возможных форм правильных многоугольников, и в своем трактате «Тимей» утверждал, что тела, из которых состоят элементы, имеют именно такие формы: Земля состоит из маленьких кубов, тогда как огонь, воздух и вода состоят из многогранников с одинаковыми гранями — четырьмя, восьмью и двенадцатью, соответственно. Пятый правильный многогранник с 12 одинаковыми гранями, по мысли Платона, символизировал космос. Платон не представил никаких доказательств своих гипотез — в «Тимее» он выступал скорее в роли поэта, нежели ученого, и свойство симметрии перечисленных пяти тел, очевидно, имело мощную власть над его воображением.

На самом деле правильные многогранники не имеют никакого отношения к атомам, из которых состоит материальный мир, однако они дают полезные примеры способа отображения симметрии, чрезвычайно подходящего физикам. Вместе с тем симметрия — это реализация принципа инвариантности. Этот принцип гласит, что при определенном изменении угла зрения на некий объект его вид не изменяется. К примеру, вместо того, чтобы описать форму куба, указав, что он имеет шесть одинаковых граней, мы можем сказать, что его вид не изменится, если мы будем вращать систему отсчета определенным образом, скажем, на 90º вокруг осей, параллельных ребрам куба.

Набор всех преобразований системы отсчета, при которых вид объекта не изменяется, называется группой инвариантности. Может показаться, что это ужасно странный способ рассуждать о таких предметах, как куб, но в физике мы очень часто делаем некоторые предположения о группах инвариантности и проверяем эти предположения экспериментально даже в тех случаях, когда не знаем больше ничего о свойствах объекта, который, вероятно, обладает гипотетической симметрией. Существует большой и изящный раздел математики — теория групп, — в рамках которого классифицируются и исследуются все возможные группы инвариантности. Этому разделу посвящены две недавно вышедшие научно-популярные книги, адресованные широкому читателю[79].

У каждого из пяти платоновских правильных многогранников своя группа инвариантности. Каждая группа конечна, то есть существует конечное число различных преобразований системы отсчета, при которых вид многогранника остается неизменным. Все эти различные конечные группы инвариантности входят в состав бесконечной группы — группы всех возможных поворотов в трех пространственных размерностях. К этой группе инвариантности относится сфера, которая выглядит одинаково, с какой бы стороны на нее ни смотрели.

По эстетическим и философским соображениям сферы также фигурировали в ранних гипотезах о строении мира, только не как модели для атомов, а как модели планетарных орбит. Считалось, что семь известных планет (сюда же включены Солнце и Луна) — это яркие пятна на сферах, которые вращаются вокруг сферической Земли и передвигают планеты по идеальным круговым орбитам. Однако это гипотезу было сложно согласовать с наблюдаемым движением планет, которые время от времени даже меняли направление своего движения по звездному небу. Согласно неоплатонику Симпликию, писавшему в VI в. н. э., Платон адресовал эту проблему математикам из Академии — вроде как небольшое домашнее задание. «Платон установил принцип, — пишет Симпликий, — согласно которому движение небесных тел — круговое, униформное и неизменно регулярное. Поэтому он поставил перед математиками следующую задачу: каким образом следует принять гипотезу о круговом, униформном и неизменном регулярном движении, чтобы можно было спасти явления, представленные планетами?»

Фраза «спасти явления» — это традиционный перевод. Платон же имел в виду, что некоторая комбинация круговых движений должна в точности воспроизвести видимое движение планет по небосводу.

В Афинах эта задачу пытались решить Евдокс, Каллипп и Аристотель, а в Александрии — позднее и с бо́льшим успехом, благодаря эпициклам, — Гиппарх и Птолемей. Задача о движении планет продолжала волновать астрономов и философов исламского и христианского миров вплоть до времен Коперника и даже позже. Конечно, основная сложность в решении задачи Платона возникала из-за того, что Земля и то, что мы теперь называем планетами, обращаются вокруг Солнца, а не Солнце и планеты — вокруг Земли. Движение Земли естественным образом объясняет, почему иногда кажется, что планеты движутся вспять по зодиаку вдоль своего пути. Однако, даже когда Коперник объяснил это явление, он по-прежнему испытывал затруднения при согласовании своей теории с результатами наблюдений, поскольку разделял уверенность Платона в том, что орбиты планет должны состоять из кругов.

Нельзя найти ни одного действительно удовлетворительного решения «домашнего задания» Платона, поскольку на самом деле планеты движутся по эллиптическим орбитам. Это открытие было сделано Кеплером, который еще в молодости, подобно Платону, был очарован пятью правильными многогранниками. Два тысячелетия астрономы и философы были слишком впечатлены красотой симметрии круга и сферы.

Симметрии, с помощью которых в 1950-х гг. было предложено решить проблемы физики элементарных частиц, не были симметриями или инвариантами вещей, пусть даже таких важных, как атомы или орбиты планет. Это были симметрии, представляющие собой принцип инвариантности физических законов.

В современной науке законы природы формулируются в виде математических уравнений, которые точно описывают, что будет происходить в определенных обстоятельствах или при определенных условиях. Первыми физическими законами, сформулированными в таком виде, были законы движения и гравитации Ньютона, которые дали основу для понимания кеплеровской модели Солнечной системы. С самого начала законы Ньютона отвечали различным принципам инвариантности: законы, описывающие наблюдаемые нами проявления движения и гравитации, не изменяют свою форму, если мы переставим время на часах, или изменим точку отсчета расстояний, или повернем нашу измерительную лабораторию[80].

Есть еще одна, менее очевидная, симметрия, названная принципом относительности Галилея. Ее существование было предсказано в XIV в. Жаном Буриданом и Николаем Оремом: открываемые нами законы природы не изменяют своей формы, если мы проводим наши наблюдения в лаборатории, движущейся с постоянной скоростью.

Ньютон и его последователи приняли эти принципы инвариантности во многом как данность и использовали их как безусловное основание для своих теорий, поэтому ситуация, когда эти принципы сами по себе стали предметом для серьезных научных исследований, оказалась довольно болезненной. Суть СТО, предложенной Эйнштейном в 1905 г., состояла в уточнении принципа относительности Галилея. Ее разработка была мотивирована отчасти неудачными попытками физиков обнаружить какое-либо влияние движения Земли на измеряемую скорость света, подобное влиянию движения лодки на наблюдаемую скорость волн на поверхности воды. В СТО, как и в ньютоновской механике, помещение наблюдателя в движущуюся с постоянной скоростью лабораторию не изменяет форму наблюдаемых физических законов, однако влияние движения на измеряемые расстояния и временны́е интервалы, описываемое СТО, отличается от представлений Ньютона. Движение приводит к сокращению длины и замедлению времени так, чтобы скорость света оставалась постоянной независимо от скорости движения наблюдателя. Эта новая симметрия, названная принципом относительности Лоренца (лоренц-ковариантностью), требует значительных отклонений от ньютоновской физики, в том числе от закона преобразования энергии и массы[81].

Появление СТО и ее успех дали физикам XX в. сигнал о важности принципов симметрии. Однако сами по себе симметрии пространства и времени, встроенные в СТО, не позволят нам продвинуться слишком далеко. Можно представить огромное множество теорий частиц и сил, согласующихся с указанными пространственно-временными симметриями. К счастью, уже в 1950-х гг. было ясно, что физические законы, какими бы они не были, отвечают симметриям всех других типов, как и пространственно-временным.

Еще с 1930-х гг. было известно, что неоткрытые законы сильного ядерного взаимодействия учитывают симметрию протонов и нейтронов — двух частиц, из которых состоит атомное ядро. Это означает, что уравнения, описывающие сильное взаимодействие, не изменяются не только при замене протонов на нейтроны и нейтронов на протоны. Форма уравнений сохраняется даже при замене протонов и нейтронов на частицы, соответствующие суперпозиции этих двух: например, каждый протон в уравнениях можно заменить на частицу, которая, скажем, с 60 %-ной вероятностью может оказаться протоном, а с 40 %-ной — нейтроном, а каждый нейтрон можно заменить частицей, которая с 40 %-ной вероятностью — протон, и с 60 %-ной — нейтрон. Вследствие этой симметрии сила, действующая между двумя протонами, равна не только силе между двумя нейтронами, она также равна силе, действующей между протоном и нейтроном. (Эта группа инвариантности математически тождественна группе движений сферы.)

Позже, в 1960-х гг., когда новых типов частиц, открытых учеными, становилось все больше, выяснилось, что описанная протон-нейтронная симметрия является частью еще большей группы симметрии, которую назвали «восьмеричный путь». В этой большой группе симметричны друг другу не только протоны и нейтроны, но и еще шесть других частиц под названием «гипероны». Все частицы, участвующие в сильном ядерном взаимодействии, попадают в одинаковые семейства, состоящие из восьми, десяти и более членов.

Однако в существовании таких внутренних симметрий было нечто странное: в отличие от симметрий в пространстве и времени, эти новые симметрии были не совсем точными. Электромагнитные явления не согласуются с этими симметриями; протоны и некоторые гипероны имеют электрический заряд, тогда как нейтроны и другие гипероны — нет. Кроме того, массы протонов и нейтронов отличаются примерно на 0,14 %, а масса самого легкого гиперона отличается от массы протонов и нейтронов на 19 %. Если законы симметрии являют собой простоту природы на глубинном уровне, как быть с симметрией, которая применима только к некоторым силам, да и то приближенно?

В 1956–1957 гг. было сделано еще более загадочное открытие о свойствах симметрии. Принцип зеркальной симметрии утверждает, что физические законы природы не изменятся, если мы будем наблюдать за природой в зеркало, которое обращает отрезки, перпендикулярные к поверхности зеркала (то есть нечто, расположенное далеко позади вашей головы, в зеркале выглядит так, как будто оно расположено далеко позади вашего отражения, а значит, далеко впереди вас). Эта трансформация не является поворотом — не существует способа так повернуть систему отсчета, чтобы эффект обращения расстояний наблюдался только в направлении, перпендикулярном к плоскости зеркала. Обычно точность и универсальность зеркальной симметрии, как и других симметрий в пространстве-времени, принимается как данность, но эксперименты, проведенные в 1957 г., убедительно продемонстрировали, что слабое ядерное взаимодействие не симметрично относительно отражений, тогда как электромагнитное и сильное ядерное взаимодействия подчиняются этому закону. Оказалось, что такое же нарушение симметрии наблюдается между частицами и их античастицами.

Так мы столкнулись с двойной загадкой: что именно вызывает наблюдаемое отклонение от симметрии восьмеричного пути, зеркальной симметрии и симметрии материи и антиматерии? Теоретики предлагали несколько возможных вариантов ответа, но, как мы увидим, ошибочным был сам вопрос.

В 1960–1970-х гг. мы стали свидетелями масштабного расширения представлений о роли симметрии в физике. Протон-нейтронная симметрия изначально предполагалась глобальной, то есть считалось, что уравнения, описывающие сильное ядерное взаимодействие, не изменятся, если мы заменим нейтроны и протоны на различные смешанные состояния во всех точках пространства и времени. Но что, если уравнения подчиняются более строгой локальной симметрии, то есть такой, при которой уравнения также не изменятся, если мы заменим нейтроны и протоны на различные смешанные состояния в различные моменты времени в разных точках пространства? Такая замена не приведет к появлению каких-либо новых семейств частиц вроде нейтрон-протонного дублета или октетов восьмеричного пути. Наоборот, для выполнения локальной симметрии потребуются новые частицы, идентичные фотонам (частицам света), — новые частицы, которые обеспечат взаимодействие между протонами и нейтронами. Была надежда, что теория такого рода сможет каким-то образом объяснить сильное ядерное взаимодействие, благодаря которому нейтроны и протоны удерживаются вместе в атомном ядре.

Концепция симметрии расширялась в разных направлениях. В 1960-е гг. теоретики начали изучать возможность нарушения симметрий[82], при которой фундаментальные уравнения физики могут подчиняться симметриям, тогда как физические состояния, описываемые решениями этих уравнений, — нет.

В качестве хорошего примера можно вспомнить кеплеровские эллиптические орбиты планет. Уравнения, описывающие гравитационное поле Солнца и движение тел в этом поле, подчиняются вращательной симметрии — в этих уравнениях нет таких членов, которые бы выделяли какое-то одно направление в пространстве среди других. Круговые орбиты планет, вроде тех, о которых говорил Платон, также подчиняются этому типу симметрии, но эллиптические орбиты планет Солнечной системы — нет; большая ось эллипса имеет конкретное направление в пространстве.

Поначалу многие думали, что нарушенная симметрия может быть как-то связана с известными малыми отклонениями в зеркальной симметрии или в симметрии восьмеричного пути. Но это предположение было ошибочным. Нарушенная симметрия не имеет ничего общего с приближенной симметрией; она не играет никакой роли в определении семейств частиц, вроде семейств восьмеричного пути.

Вместе с тем нарушение симметрии имеет последствия, которые можно исследовать опытным путем. Поскольку уравнения гравитационного поля Солнца обладают сферической симметрией, большая ось эллиптической орбиты планеты может быть ориентирована в любом направлении в пространстве. По этой причине орбиты крайне чувствительны к любым малым возмущениям, которые нарушают симметрию, например к влиянию гравитационного поля других планет. Скажем, такие возмущения заставляют большую ось орбиты Меркурия совершать оборот на 360° в плоскости орбиты каждые 2573 века. В 1960-х гг. теоретики поняли, что сильному ядерному взаимодействию присуща нарушенная, так называемая киральная, симметрия, которая описывает свойства частиц, получивших название пи-мезонов[83].

Оказалось, что выход из сложившегося в 1950-е гг. печального положения физики элементарных частиц лежал через локальные и нарушенные симметрии. Во-первых, выяснилось, что электромагнитное и слабое ядерное взаимодействия описываются нарушенной локальной симметрией. (Первостепенная цель экспериментов, которые сейчас проводятся на новом ускорителе частиц в швейцарском CERN, состоит в том, чтобы установить, что именно является причиной нарушения этой симметрии.) Затем стало понятно, что сильное ядерное взаимодействие обладает другой локальной симметрией и эта симметрия не нарушена. Общая теория сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, получившая название Стандартной модели, хорошо справляется с описанием практически всех эффектов и явлений, которые мы наблюдаем в лабораториях.

Для подробного разговора об этих симметриях, о Стандартной модели или о других типах симметрии, выходящих за рамки Стандартной модели, одной главы книги не хватит. Поэтому я хочу рассмотреть только один вопрос о симметрии, который, насколько мне известно, еще нигде не освещался для широкой аудитории. Когда в начале 1970-х гг. Стандартная модель приобрела современную форму, теоретики, к радости своей, столкнулись с кое-чем неожиданным. Оказалось, что Стандартная модель обладает определенными типами симметрии, которые можно назвать случайными в том смысле, что они автоматически следуют из Стандартной модели, хоть и не являются точными локальными симметриями, на которых Стандартная модель базируется. Эти случайные симметрии во многом описывают явления, которые раньше казались загадочными, а кроме того, открывают новые интересные возможности.

Возникновение случайных симметрий обусловлено тем фактом, что приемлемые теории физики элементарных частиц, как правило, оказываются чрезвычайно простыми. Именно по этой причине нужно как-то решать проблему бессмысленных бесконечностей, о которой я упоминал выше. В теориях, которые относятся к достаточно простым, от таких бесконечностей можно избавиться с помощью операции переопределения, или перенормировки, конечного набора физических констант, определяющих массы и заряды. В таких простых теориях, названных перенормируемыми, в любой заданный момент времени в заданной точке пространства взаимодействовать может только небольшое число частиц, и в этом случае энергия взаимодействия зависит от движения и спина частиц только простым образом.

Долгое время многие из нас считали, что единственным возможным способом исключения неподдающихся бесконечностей являются такие перенормируемые теории. Из-за этого возникла серьезная проблема, поскольку успешная теория гравитации Эйнштейна — общая теория относительности — не является перенормируемой. В 1970-х гг. стало понятно, что существуют условия, когда допустимы неперенормируемые теории. При этом предполагалось, что относительно сложные взаимодействия, из-за которых теории становятся неперенормируемыми, должны подавляться в том случае, когда они обусловлены некоторым неизвестным новым физическим явлением, проявляющимся на масштабах много меньше тех, с которыми мы имеем дело в известных нам физических процессах. На самом деле, гравитация очень сильно подавлена — сейчас это самый слабый тип взаимодействия элементарных частиц из всех известных нам. Но даже при этих условиях, поскольку неперенормируемые взаимодействия слабы, физики могут пренебречь ими и тем не менее получить достоверные приближенные результаты.

И это здорово. Это значит, что существует небольшое количество перенормируемых теорий, которые нужно рассматривать как хорошее приближение к описанию физического мира.

Далее, так вышло, что в условиях ограничений, накладываемых лоренц-инвариантностью и точными локальными симметриями Стандартной модели, наиболее общая перенормируемая теория сильного и электромагнитного взаимодействий просто оказывается недостаточно сложной, чтобы описать нарушения зеркальной симметрии и симметрии материи и антиматерии[84]. Таким образом, эти симметрии электромагнитного и сильного ядерного взаимодействий оказываются случайными, не имеющими отношения к тем симметриям, которые присущи физическому миру на фундаментальном уровне. Слабое ядерное взаимодействие не обладает зеркальной симметрией или симметрией материи и антиматерии, поскольку нет ни одной причины, по которой оно должно было бы ими обладать. Вместо вопроса о том, что нарушает зеркальную симметрию, нам следует поставить вопрос, почему вообще существуют зеркальная симметрия и симметрия материи и антиматерии. И теперь мы это знаем.

Протон-нейтронная симметрия объясняется аналогичным образом. Стандартная модель на самом деле рассматривает не протоны и нейтроны, а частицы, из которых они состоят, — кварки и глюоны[85]. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка; нейтрон состоит из двух d-кварков и одного u-кварка. Оказалось, что в самой общей перенормируемой теории кварков и глюонов, отвечающей точным симметриям Стандартной модели, единственным фактором, который может нарушить протон-нейтронную симметрию, являются массы кварков. Массы u- и d-кварков не одинаковы — d-кварк почти в два раза тяжелее u-кварка, — поскольку нет причин, вследствие которых они должны быть равны. Но величина обеих масс чрезвычайно мала: масса протонов и нейтронов в основном определяется сильным ядерным взаимодействием, а не массой кварков. Таким образом, в той степени, в которой можно пренебречь массой кварков, мы получаем случайную приближенную симметрию между протонами и нейтронами. Киральная симметрия и симметрия восьмеричного пути возникают аналогичным случайным образом.

Итак, зеркальная и протон-нейтронная симметрии, а также их обобщение являются вовсе не фундаментальными, но всего лишь случайными следствиями более глубинных принципов. Если вернуться к метафоре об этих симметриях, как о наших шпионах в высшем командовании физического мира, то можно сказать, что мы слишком переоценивали их важность, как часто бывает, впрочем, и с обычными шпионами.

Выявление случайных симметрий не только позволило разрешить старую загадку о приближенных симметриях, но еще и открыло новые восхитительные возможности. Как оказалось, существуют определенные симметрии, которые не могут нарушаться в любых теориях, в которых рассматриваются те же частицы и те же локальные симметрии, что и в Стандартной модели, и которые являются достаточно простыми для перенормировки[86]. Эти симметрии, получившие название закона сохранения лептонного и барионного заряда[87], если они действительно выполняются, будут требовать, чтобы нейтрино (частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях) не имели массы, а протоны и многие атомные ядра были абсолютно устойчивы. О существовании этих симметрий было известно из экспериментов задолго до появления Стандартной модели, и в целом считалось, что они выполняются точно. Но если это на самом деле случайные симметрии Стандартной модели, вроде случайной приближенной протон-нейтронной симметрии сильного взаимодействия, тогда они тоже могут быть только приближенными. Как я упоминал выше, теперь мы понимаем, что взаимодействия, из-за которых теория становится неперенормируемой, вполне возможны, хотя, скорее всего, они будут сильно подавлены. Стоит только допустить существование подобных сложных неперенормируемых взаимодействий, и тогда нейтрино больше не должны быть безмассовыми, а протоны не должны быть абсолютно стабильными частицами.

Действительно, существуют возможные неперенормируемые взаимодействия, которые придадут нейтрино небольшую массу, величина которой составляет одну стомиллионную долю массы электрона, и протону придадут конечное среднее время жизни, пусть оно будет и много больше возраста Вселенной. Недавние эксперименты показали, что нейтрино действительно обладают такой массой. А сейчас ведутся эксперименты, призванные определить малую долю протонов, которые могут распасться в течение года, и я готов сделать ставку, что такие события распада будут зарегистрированы. Если протоны действительно распадаются, Вселенная в конце концов будет состоять только из электронов и более легких частиц, таких как нейтрино и фотоны. Материя перестанет существовать в том виде, в котором она существует сейчас.

Я сказал, что в этой главе буду вести речь о симметриях законов, а не вещей, однако есть одна вещь настолько важная, что мне необходимо о ней упомянуть. Это сама Вселенная. Вселенная, если рассматривать ее на достаточно больших пространственных масштабах, включающих многие галактики, кажется, не имеет особенных точек и особенных направлений. Однако это свойство тоже может оказаться случайным. Существует заманчивая теория, получившая название хаотической инфляции, согласно которой при рождении Вселенная находилась в полностью хаотическом состоянии без каких-либо особенных пространственных симметрий. Поля, пронизывающие Вселенную, случайным образом становились более или менее однородными в разных точках пространства, и, согласно уравнениям гравитационного поля, именно эти области затем подверглись экспоненциально быстрому расширению, которое и называется инфляцией, что привело к возникновению современной Вселенной, где все неоднородности оказались сглажены быстрым расширением. В разных областях пространства симметрии физических законов должны были нарушаться разными способами. Большая часть Вселенной все еще находится в хаотическом состоянии, и только в тех областях, которые достаточно быстро расширились (и в которых симметрии оказались нарушены как надо), могла возникнуть жизнь, поэтому любые живые существа, которые исследуют Вселенную, неизбежно обнаружат себя именно там.

Все это довольно умозрительные теории. Существует некоторое эмпирическое подтверждение экспоненциального расширения Вселенной на ранней стадии, которое оставило свой след в реликтовом излучении, заполняющим Вселенную, однако до сих пор нет доказательств ранней хаотической стадии. Если окажется, что хаотическая теория инфляции верна, тогда многое из того, что мы наблюдаем в мире, будет следствием случайности нашего конкретного местоположения, случайности, которую невозможно объяснить, кроме как тем фактом, что это единственное место из всех, где возможна жизнь.

12. Бозон Хиггса и последствия

Осенью 2011 г. редакторы глянцевого британского ежемесячного журнала Prospect узнали, что в знаменитой всеевропейской лаборатории CERN варится что-то важное. Там искали частицу, известную как бозон Хиггса, существование которой было предсказано нашей очень успешной теорией элементарных частиц и взаимодействий — Стандартной моделью, к созданию которой я имел непосредственное отношение. Редакторы попросили меня написать заметку об этом поиске и о том, что последует за открытием, если оно действительно состоится. Моя статья была опубликована в декабрьском номере Prospect 2011 г. Состоявшееся позже открытие бозона Хиггса обсуждается в главе 13 этой книги.

Физики, работающие в Швейцарии на Большом адронном коллайдере CERN, увлечены поиском частицы нового типа, названной бозоном Хиггса. На карту поставлено гораздо больше, чем просто попытка добавить еще одну позицию в меню известных типов элементарных частиц, состоящем из кварков, электронов и т. д. Экспериментальное обнаружение бозона Хиггса подтвердит теорию, описывающую нарушение симметрии между двумя фундаментальными силами природы, в результате которого элементарные частицы получают массу. А если бозон Хиггса не удастся обнаружить, то это будет еще более захватывающим событием, которое вернет нас назад к работе по объяснению всего этого. Чтобы показать, насколько высоки ставки, я сначала должен сказать пару слов о том, что физики подразумевают под терминами «симметрия» и «нарушение симметрии»[88].

Симметрия физических законов — это свойство законов сохранять свою форму при определенных изменениях системы отсчета. Огромная часть физики XX в. была посвящена открытию таких симметрий. Все началось в 1905 г., когда Эйнштейн с помощью своей специальной теории относительности установил, что все физические законы, включая те, которые используются для измерения скорости света, остаются неизменны, когда мы наблюдаем за природой, находясь в движущейся лаборатории.

Однако симметрии физических законов природы не ограничены только теми изменениями, которые связаны с наблюдениями отсчета пространства и времени, как в СТО. Законы природы могут также оставаться неизменными, когда мы заменяем в наших уравнениях частицы одного типа на частицы другого типа. Например, атомное ядро состоит из частиц двух типов: протонов и нейтронов. Еще в 1930-х гг. было обнаружено, что законы, описывающие сильное взаимодействие, удерживающее эти частицы вместе в атомном ядре, не изменяют свою форму при замене протонов на нейтроны или даже при замене протонов (и нейтронов) на смешанные состояния, когда, например, частица на 30 % протон (нейтрон) и на 70 % — нейтрон (протон).

Дело не в том, что физики в 1930-е гг. уже знали законы, описывающие сильное ядерное взаимодействие. Если бы они их не знали, тогда протон-нейтронная симметрия оказалась бы только побочным эффектом. Важность симметрий состоит в том, что мы можем выявить их в экспериментах и использовать для постановки новых экспериментальных задач, даже если не знаем законы, которым они подчиняются. Например, даже не понимая природу ядерного взаимодействия, физики смогли на основании протон-нейтронной симметрии сделать вывод о том, что энергии нижних уровней ядер бора-12 и азота-12 должны быть одинаковы и равны энергии одного из возбужденных состояний углерода-12, поскольку все три этих ядерных состояния могут быть превращены одно в другое заменой протонов и нейтронов на смешанные состояния протонов и нейтронов. Зачастую симметрии — это незаменимые ключи к тому, что происходит на более фундаментальном, недоступном нам уровне.

В начале 1960-х гг. физики-теоретики вдохновились новой идеей, согласно которой природа может подчиняться гораздо более богатому разнообразию симметрий, чем мы себе представляли. Идея заключалась в том, что законы природы, выраженные в виде математических уравнений, могут обладать симметриями, которыми не обладают физические явления, описываемые решениями этих уравнений. В подобных случаях мы говорим о нарушении симметрии — симметрии могут быть строгими свойствами законов природы, но при этом они не проявляются непосредственно в физических явлениях.

Нарушение симметрии имеет физические последствия, и речь идет не только о точечных последствиях вроде протон-нейтронной симметрии, которая распределяет частицы или ядерные состояния по семействам с одинаковыми энергетическими уровнями. В 1962 г. Джеффри Голдстоун, Абдус Салам и я, развивая ранние предположения, выдвинутые Голдстоуном и Йоитиро Намбу, доказали теорему, которая описывает вероятные общие последствия нарушения симметрий. Она гласит, что в любой теории, где нарушается симметрия, например протон-нейтронная симметрия, должны существовать частицы, не обладающие массой или спином, — по одному типу таких частиц на каждую нарушенную симметрию. Подобные новые частицы, не имеющие массы, не были известны, но они не могли бы спрятаться от детекторов, поскольку для их создания не требуется даже минимальный уровень энергии. Поэтому казалось, что факт их отсутствия говорит об отсутствии вероятности существования нарушенных симметрий в природе.

Исключение из этой теоремы было найдено в 1964 г. независимо тремя группами ученых. Этими учеными были Роберт Браут и Франсуа Энглер; Джералд Гуральник, Ричард Хаген и Томас Киббл; и Питер Хиггс (Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Kibble, Higgs — BEGHKH). Они указали, что теорема Голдстоуна не применима к определенному классу симметрий, которые называются локальными. Для этого типа симметрий преобразования, сохраняющие неизменными физические законы, могут изменяться от точки к точке в пространстве и времени. Для сохранения формы уравнений неизменной при таких преобразованиях теории с ненарушенными локальными симметриями должны содержать частицы с нулевой массой и некоторым конечным значением спина, равным постоянной Планка. Частица света фотон — одна из таких безмассовых частиц с конечным спином. Десятью годами ранее Янг Чжэньнин и Роберт Миллс описали огромный класс возможных новых локальных симметрий сильного взаимодействия, однако эти теории Янга — Миллса на тот момент не нашли какого-либо применения в реалистичных физических теориях. BEGHKH показали, что при нарушении локальной симметрии безмассовые частицы, открытые Голдстоуном и его коллегами, нужно понимать не как физические частицы, а как нечто, что придает массу частицам, которые иначе были бы безмассовыми частицами Янга — Миллса с конечным спином.

В статьях BEGHKH не предлагалось каких-то конкретных реалистичных теорий частиц и взаимодействий. В 1967 г. я без особого успеха пытался разработать теорию сильного ядерного взаимодействия на основе нарушенной локальной симметрии. В какой-то момент я осознал, что пытался применить хорошие идеи не в том месте. Верным применением было слабое ядерное взаимодействие, которое позволяет протону в радиоактивном ядре превращаться в нейтрон и наоборот. Оказалось, что итоговая теория описывает не только слабое ядерное, но и электромагнитное взаимодействие. Конечно, это было очень захватывающе. Чуть позже во многом аналогичная теория была независимо разработана Саламом. Кроме того, я выяснил, что Шелдон Ли Глэшоу, Салам и Джон Уорд исследовали теорию этого типа, только без включения в нее нарушенной симметрии или бозона Хиггса.

В моей теории и теории Салама существует локальная электрослабая симметрия, при нарушении которой возникает требование нулевой массы для электронов, кварков и частиц, которые переносят слабое взаимодействие. В исходной версии этой теории имеется также квартет безспиновых полей, которые принимают нулевые значения в вакууме при условии, что симметрия не нарушена. (Поля этого общего типа уже появлялись в пояснительных примерах нарушения локальной симметрии, представленных BEGHKH.) Электрослабая симметрия нарушается вследствие появления ненулевого значения для одного из этих четырех безспиновых полей, и в результате взаимодействия с этими полями электроны, кварки и частицы, переносящие слабое ядерное взаимодействие, приобретают массу. В этой теории только одно из четырех безспиновых полей рассматривается как физическая частица — электрически нейтральная безспиновая частица, взаимодействие которой описывается теорией, но масса которой, к сожалению, не известна. Эта частица — бозон Хиггса, поиском которого занят CERN.

К настоящему времени имеется множество экспериментальных подтверждений тому, что нарушенная локальная электрослабая симметрия действительно существует. Новые слабые взаимодействия, обязательные в рамках теории, были обнаружены в экспериментах CERN в 1973 г., а в 1984 г. также в CERN были открыты массивные частицы, которые переносят слабое ядерное взаимодействие, и в обоих случаях свойства взаимодействий и частиц были предсказаны нарушенной симметрией. Не до конца пока ясно, нарушается ли электрослабая симметрия именно так, как это описали Салам и я.

Существуют и другие варианты. Симметрия может быть нарушена из-за нескольких квартетов безспиновых полей, и в этом случае должно существовать несколько бозонов Хиггса со сложными свойствами. Еще более радикальный вариант был предложен независимо Леонардом Сасскиндом и мной: уравнения теории могут вообще не содержать безспиновых полей. Наоборот, в дополнение к известным электрослабому и сильному ядерному взаимодействиям может существовать еще более сильное техницветовое взаимодействие, которое переносится частицами, взаимодействующими с частицами, переносящими слабое взаимодействие, и таким образом нарушается электрослабая симметрия. В теории такого типа вместо бозона Хиггса должен появиться целый «зоопарк» новых частиц, удерживаемых вместе техницветовым взаимодействием. Так или иначе эксперименты на Большом адронном коллайдере дадут ответ на важный нерешенный вопрос о том, что является причиной нарушения электрослабой симметрии и придает элементарным частицам их массы.

Не менее важно, что на БАК могут быть открыты еще более восхитительные вещи. К настоящему моменту астрономы нашли несколько независимых свидетельств, доказывающих, что примерно 5/6 всей массы Вселенной принадлежат некоторой экзотической темной материи, которая служит основным источником гравитации в галактиках и скоплениях галактик, но при этом слабо взаимодействует, если вообще взаимодействует, с обычной материей. Ни одна из частиц, входящих в современную Стандартную модель элементарных частиц (в том числе электрослабое и сильное ядерное взаимодействия), не обладает нужными свойствами, чтобы ее можно было считать частицей темной материи. Многие теоретики предлагают различные возможные обобщения Стандартной модели и кандидатов на роль частиц, из которых состоит темная материя.

Среди наиболее вероятных из этих кандидатов можно назвать вимпы — слабо взаимодействующие массивные частицы. Это частицы, которые по отдельности устойчивы или, по крайней мере, могут существовать в течение миллиардов лет, но при этом в парах они аннигилируют и их энергия превращается в обычные частицы. Идея состоит в том, что в условиях горячего плотного состояния ранней Вселенной эти частицы должны были непрерывно создаваться и аннигилировать в парах до тех пор, пока расширение Вселенной не разредило их настолько, что они перестали сталкиваться друг с другом. Мы могли бы рассчитать, сколько таких частиц могло бы просуществовать до нашего времени, если бы знали их массу и насколько легко они аннигилируют. Или, по-другому, если мы допустим, что из этих вимпов состоит темная материя, и сделаем разумное предположение о том, как они аннигилируют, тогда мы сможем рассчитать их массу. Так называемое вимп-чудо состоит в том, что значение массы этих частиц должно лежать в диапазоне от 10 до 100 масс протона, то есть в том диапазоне масс, частицы из которого могут быть получены на БАК. Так что эксперименты CERN могут рассказать нам, из чего сделана большая часть Вселенной.

13. Почему бозон Хиггса?

После объявления в 2012 г. об открытии бозона Хиггса меня попросили объяснить на страницах газеты The International Herald Tribune, причину суеты. Статья, текст которой представлен в этой главе, появилась в редакторской рубрике в уик-энд 14–15 июля 2012 г. Другая моя статья на ту же тему вышла 16 августа 2012 г. в журнале The New York Review of Books.

В тексте я намеренно оставил открытым вопрос, действительно ли новая частица, обнаруженная в опытах CERN, является тем самым «бозоном Хиггса», существование которого было предсказано в 1967–1968 гг. теорией слабого и электромагнитного взаимодействий. Сегодня, после пяти лет продолжающихся экспериментов и исследований, в этом нет никаких сомнений. Измеренные значения скорости образования и скоростей различных вариантов распада согласуются с этой теорией.

Сообщение от 4 июля 2012 г. о том, что в лаборатории CERN в Женеве был получен «бозон Хиггса», стало мировой новостью. На следующий день The New York Times вынесла на первую полосу заголовок «Физики нашли неуловимую частицу, которая считается ключом ко Вселенной».

Почему столько шума? Время от времени в физике элементарных частиц происходили новые открытия, которые не привлекали столько внимания. Многие считают, что эта частица является важнейшим ключом к пониманию того, как все остальные элементарные частицы приобретают свои массы. Это верно, но нужно немного пояснить.

У нас есть хорошо проверенная теория элементарных частиц и взаимодействий между ними, известная как Стандартная модель. Центральной особенностью Стандартной модели является симметрия между двумя из описываемых ею типов взаимодействий — между электромагнитным и не столь широко известным слабым ядерным взаимодействием, которое обеспечивает первый этап в цепочке реакций, дающих Солнцу его энергию. Симметрия означает, что частицы, переносящие это взаимодействие, фигурируют в уравнениях теории совершенно одинаково. Можно заменить частицу света фотон, переносящую электромагнитное взаимодействие, на некоторую комбинацию W- и Z-частиц, которые переносят слабое взаимодействие, и уравнения сохранят свою форму.

Если бы не было факторов, нарушающих эту симметрию, тогда W- и Z-частицы, как и фотон, не имели бы массы. В действительности же все другие элементарные частицы также были бы безмассовыми по причинам, в детали которых я не могу здесь вдаваться. Однако, конечно, большинство элементарных частиц имеют массу. Например, в отличие от безмассового фотона, W- и Z-частицы почти в 100 раз тяжелее атома водорода.

Уже в 1960-е гг. было известно, что симметрии могут точно соблюдаться в уравнениях теории, но при этом отсутствовать в измеряемых физических величинах, например значениях массы частиц. В 1964 г. в научных группах Роберта Браута и Франсуа Энглера, Питера Хиггса, Джеральда Гуральника, Карла Сагана и Тома Киббла были выявлены последствия такого нарушения симметрии для общего класса теорий, в которых фигурируют переносящие взаимодействие частицы, например фотоны. В 1967–1968 гг. я и ныне покойный Абдус Салам независимо друг от друга воспользовались этой математикой для формулирования специальной теории — современной единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий, которая стала частью Стандартной модели. Теория предсказала значения масс W- и Z-частиц, и эти предсказания были подтверждены в экспериментах CERN 1983–1984 гг., в которых были получены эти частицы.

Но что именно нарушает электрослабую симметрию, в результате чего элементарные частицы приобретают свои массы? Салам и я предполагали, что во всем виноваты некие скалярные поля, пронизывающие все пространство. Нечто похожее происходит в магните: несмотря на то что в уравнениях, описывающих атомы железа, нет выделенных направлений в пространстве, любое магнитное поле, создаваемое атомами, будет иметь некоторое конкретное направление. Поля Стандартной модели, нарушающие симметрию, не выделяют никаких направлений в пространстве — именно поэтому они названы скалярными. Эти поля обусловливают отличие слабого взаимодействия от электромагнитного и придают элементарным частицам массы. Как магнитное поле возникает в железе при его охлаждении и затвердевании, так и эти неисчезающие скалярные поля возникли на этапе расширения и охлаждения ранней Вселенной.

И вот тут появляется бозон Хиггса. Пояснительные модели, которые анализировались в большинстве работ по нарушению симметрии в период с 1960 по 1964 г., основывались на нарушающих симметрии скалярных полях и обычно показывали, что некоторые из этих полей должны проявлять себя в виде массивных частиц, сгустках энергии этих полей. Также мы с Саламом в 1967–1968 гг. обнаружили, что одно из четырех скалярных полей, введенных нами для описания нарушения электрослабой симметрии, должно проявиться в виде электрически нейтральной стабильной частицы нового типа. Эта частица и есть бозон Хиггса, которая теперь, по-видимому, получена в экспериментах, что подтверждает положение Стандартной модели, описывающее, как элементарные частицы приобретают свои массы.

Кажется, нет никаких сомнений в том, что была открыта новая электрически нейтральная стабильная частица, но действительно ли это бозон Хиггса? Все свойства бозона Хиггса, за исключением его массы, были предсказаны теорией электрослабого взаимодействия в 1967–1968 гг., а поскольку масса новой частицы теперь измерена, мы можем рассчитать вероятности различных вариантов ее распада. На текущий момент в экспериментах наблюдалось лишь малое число вариантов распада, и, хотя новая частица вроде бы распадается как бозон Хиггса, для окончательного ответа требуются дополнительные исследования. Также, если новая частица — это бозон Хиггса, она должна вести себя как мяч при выполнении броска наклбол[89] в бейсболе; в отличие от всех других известных элементарных частиц, у нее не должно быть спина. И это тоже требует проверки.

Считается, что предусмотрительный физик должен высказываться с осторожностью. Но я ждал открытия бозона Хиггса с 1967 г., и мне сложно теперь подвергать сомнению, что эта частица найдена.

Что в итоге? Даже если новая частица — бозон Хиггса, никто не собирается использовать ее для излечения болезней или усовершенствования технологий. Это открытие всего лишь заполняет брешь в нашем понимании законов природы, описывающих всю материю, и проливает свет на процессы, происходившие на ранней стадии Вселенной. Замечательно, что многие люди проявляют к этой области науки интерес и уважение, как к искусству, чем демонстрируют веру в нашу цивилизацию.

Конечно, не все испытывают подобные чувства, и есть люди, которым приходится задавать вопрос о том, стоит ли изучение законов природы миллиардов долларов, потраченных на строительство ускорителей частиц, таких как ускоритель в CERN. Этот вопрос неизбежно возникает снова и снова, поскольку Стандартная модель в ее современном виде, очевидно, еще не конец истории. Она не описывает гравитацию; она не объясняет, почему кварки, электроны и другие частицы имеют именно такие значения массы; и ни одна из частиц Стандартной модели не может представлять темную материю, на которую, по словам астрономов, приходится до 5/6 всей массы Вселенной. Можете не сомневаться, что физики снова будут просить свои правительства профинансировать создание установок, которые им потребуются для разрешения всех этих вопросов.

Подобного рода расходы можно обосновать даже перед лицом тех, кому нет дела до изучения законов природы. Исследование переднего края наших знаний о природе в некотором отношении напоминает войну — это раздвигает границы существующих технологий и зачастую приводит к появлению новых технологий, имеющих огромное практическое значение. Например, новая частица была получена на ускорителе в CERN в результате столкновений протонов, происходящих с частотой около сотни миллионов столкновений в секунду. Чтобы проанализировать такой огромный поток данных, генерируемый всеми этими столкновениями, требуются уникальные вычислительные мощности. Кроме того, до столкновений протоны в процессе многократного прохождения по 27-километровому туннелю ускоряются до энергий, в 3000 раз превышающих энергию, содержащуюся в их массе. Чтобы удержать частицы на их траекториях в процессе ускорения, требуются невероятно мощные сверхпроводящие магниты, охлаждаемые самым большим в мире источником жидкого гелия. Во время предыдущих проектов CERN ученые, занимающиеся физикой частиц, разработали метод обмена данными, который затем превратился в глобальную сеть интернет.

В отдаленной перспективе развитие технологий будет отражать связанную картину природы, которую мы сейчас собираем по кусочкам. В конце XIX в. английские физики изучали свойства электрических токов в сильно разреженной среде. И хотя это была чистая наука, не имевшая целью практическое применение, исследования привели к открытию электрона, без представлений о котором большая часть современных технологий не могла бы существовать. Если бы эти физики ограничивали себя работой, имеющей очевидную практическую ценность, они должны были бы изучать поведение паровых котлов.

14. Проблема квантовой механики

Квантовая механика сегодня считается универсальным математическим средством, позволяющим нам понимать законы природы. Все физики пришли к согласию насчет того, как следует использовать квантовую механику, и ее применение позволило выполнить потрясающе успешные расчеты атомов, молекул, атомных ядер, элементарных частиц и многого другого. Вместе с тем в ней местами сохраняется противоречивость, прежде всего в том, что касается формулировки ее положений относительно измерений и вероятностей, а также их проверки.

Как и большинство физиков, в целом я был удовлетворен использованием квантовой механики в своих прошлых работах и не особенно переживал насчет противоречий. Однако в 2012 г. в процессе написания учебника по квантовой механике я решил, что должен заняться этими проблемами, чтобы можно было изложить их студентам старших курсов и аспирантам.

Я прочел приличный объем того, что было написано физиками, всерьез интересовавшимися фундаментальными основами квантовой механики, но почувствовал некоторое смущение от того, что не могу выбрать ни одну из их интерпретаций квантовой механики, которая казалась бы мне совершенно удовлетворительной. Мое смятение усилилось, когда в 2015 г. я столкнулся с той же проблемой при подготовке второго издания своего учебника.

Примерно тогда я задумался о том, чтобы описать проблемы вокруг квантовой механики в научно-популярной статье. Эта идея получила развитие, когда меня пригласили выступить со специальной лекцией — четвертой ежегодной Патруской лекцией Совета по развитию научного писательства на встрече, проходившей в октябре 2016 г. в Сан-Антонио. Предложение было заманчивым, поскольку давало мне возможность узнать, смогу ли я понятно рассказать о квантовой механике не физикам.

Я посчитал, что мое выступление прошло довольно хорошо, поэтому записал его для журнала The New York Review of Books. Статья вышла в номере от 19 января 2017 г. Эта публикация стала моей последней статьей, написанной в сотрудничестве с выдающимся редактором журнала Робертом Сильверсом, который скончался 20 марта 2017 г.

«Сотрудничество» — подходящее слово. Время от времени Боб включал в Review статьи о фундаментальной науке, но он понимал всю сложность перевода идей с языка физики на язык обычного читателя. Это стало отдельной проблемой при написании статьи о квантовой механике, идеи которой настолько далеки от интуитивно понятных, что почти невыразимы на любом языке, кроме математического. Боб указал на множество непонятных мест в первом варианте текста и без устали заставлял меня их прояснять. Даже если в этой статье остались сложные куски, ни один редактор не смог бы сделать ее более понятной.

Развитие квантовой механики в первые десятилетия XX в. повергло в шок многих физиков. Сегодня, несмотря на ее огромные успехи, споры о ее значении и будущем продолжаются.

Первым серьезным испытанием стал вызов, брошенный привычным физическим понятиям, сложившимся к 1900 г. Были частицы (атомы, а затем электроны и атомные ядра), и были поля — они заполняют в пространстве целые области, из-за чего там действуют электрические, магнитные и гравитационные силы. Световые волны были признаны самоподдерживающимися колебаниями электрического и магнитного полей. Однако для того, чтобы описать излучение, испускаемое нагретыми телами, Альберт Эйнштейн в 1905 г. посчитал необходимым представить световые волны в виде потоков безмассовых частиц, позже названных фотонами. Затем в 1920-е гг., благодаря теориям Луи де Бройля и Эрвина Шрёдингера, выяснилось, что электроны, которые всегда считались частицами, при определенных условиях ведут себя как волны. Для того чтобы описать энергетически стабильные состояния атомов, физикам пришлось отказаться от представления об электронах в атомах как о маленьких ньютоновских планетах, вращающихся по орбитам вокруг атомных ядер. Электроны в атомах скорее подобны волнам, окружающим ядро, — как звуковые волны окружают органную трубу[90]. В фундаментальных понятиях началась путаница.

Еще хуже то, что электронные волны — это не волны «электронной материи», подобные океанским, являющимся волнами воды. Как показал Макс Борн, электронные волны — это скорее волны вероятности. Когда свободный электрон сталкивается с атомом, мы принципиально не можем указать, в каком направлении он отскочит. Электронная волна после столкновения с атомом распространится во всех направлениях, как морская волна, ударившаяся о риф. Как пояснил Борн, это не означает, что сам электрон разбегается во все стороны. Наоборот, неделимый электрон движется в некотором одном направлении, которое невозможно точно предсказать. Вероятнее всего, электрон отправится в том направлении, где амплитуда волны выше, но тем не менее его движение возможно в любом направлении.

Вероятности не были чем-то неизвестным для физиков 1920-х гг., однако всегда считалось, что они отражают несовершенство наших знаний об исследуемом процессе, а вовсе не случайность в рамках физического закона, которому этот процесс подчиняется. Ньютоновские теории движения и гравитации установили стандарт детерминистских законов. Зная с достаточной степенью точности положение и скорость каждого тела в Солнечной системе в некоторый момент времени, с помощью законов Ньютона можно с хорошей точностью определить местоположение этих тел в любой момент времени в будущем. В ньютоновской физике вероятности возникают только тогда, когда наше знание несовершенно, например когда мы не имеем точных данных о том, как совершается бросок пары игровых костей. Но в новой квантовой механике, казалось, потерян сам детерминизм законов физики.

Все казалось очень странным. В своем письме Борну, написанном в 1926 г., Эйнштейн жаловался: «Квантовая механика очень впечатляет. Но внутренний голос говорит мне, что это не есть что-то реальное. Теория дает хорошие результаты, но вряд ли она приблизит нас к разгадке секрета Бога. Я абсолютно убежден, что Он не играет в кости»[91]. Еще в 1964 г. в своих Мессенджеровских лекциях[92], прочитанных в Корнеллском университете, Ричард Фейнман сокрушался: «Я думаю, с уверенностью могу сказать, что никто не понимает квантовую механику»[93]. С появлением квантовой механики разрыв с прошлым был столь резким, что все прежние физические теории стали называться «классическими».

Для большинства задач странность квантовой механики не имеет значения. Физики научились использовать ее для выполнения все более точных расчетов энергетических уровней атомов и для расчета вероятностей рассеяния частиц при столкновениях. Лоуренс Краусс назвал квантово-механический расчет некоторого эффекта в спектре атома водорода «лучшим, самым точным предсказанием во всей науке»[94]. Физик Джино Сегре составил список задач, которые были решены с помощью квантовой механики на ранних этапах ее развития. В этот список вошли задачи о связи атомов в молекулах, о радиоактивном распаде атомного ядра, об электрической проводимости, магнетизме и электромагнитном излучении[95]. Позже приложения квантовой механики распространились на теоретическое описание полупроводников и сверхпроводимости, нейтронных звезд и белых карликов, ядерных сил и элементарных частиц. Даже самые оригинальные и смелые современные теории, например теория струн или хаотическая теория инфляции, укладываются в рамки квантовой механики.

Многие физики пришли к выводу, что реакция Эйнштейна, Фейнмана и других на непривычные аспекты квантовой механики была избыточной. Когда-то я тоже так считал. В конце концов, теории Ньютона также были неприятны для многих из его современников. Ньютон ввел понятие, которое многие его критики восприняли как некую потустороннюю силу. Речь идет о силе гравитации, которая никак не соотносилась с реальными вариантами взаимодействия и которую невозможно было объяснить с позиций философии или чистой математики. Кроме того, его теории нивелировали главную цель Птолемея и Кеплера — расчет размеров планетарных орбит из первых принципов. Однако в итоге противостояние идеям Ньютона сошло на нет. Ньютон и его последователи добились успеха не только в описании движения планет и падающих яблок, но и в описании движения комет и других небесных тел, а также формы Земли и прецессии оси ее вращения. К концу XVIII в. этот успех доказал справедливость ньютоновских теорий движения и гравитации, по крайней мере, как удивительно точных приближений. Очевидно, будет ошибкой строго требовать, чтобы новые физические теории отвечали некоторому предвзятому философскому стандарту.

В квантовой механике состояние системы описывается не через задание положения и скорости каждой отдельной частицы и не через амплитуду и частоту различных полей, как в классической физике. Напротив, состояние любой системы в любой момент времени описывается волновой функцией — по существу, множеством чисел, по одному числу на каждую возможную конфигурацию системы[96]. Если система представляет собой отдельную частицу, тогда каждому возможному положению частицы в пространстве соответствует свое число. Это похоже на описание звуковой волны в классической физике, отличие только в том, что для звуковой волны в каждой точке пространства задано давление воздуха, тогда как при описании состояния частицы в квантовой механике значение волновой функции в заданной точке соответствует вероятности нахождения частицы в этой точке. Что в этом такого ужасного? Несомненно, для Эйнштейна и Шрёдингера стало трагической ошибкой их самоустранение от использования квантовой механики и самоизоляция от впечатляющего прогресса, достигнутого другими учеными.

Однако, несмотря на все успехи, я уже не так уверен в будущем квантовой механики, как прежде. Тот факт, что современные физики, которые лучше остальных разбираются в ней, так и не пришли к согласию насчет ее смысла, — плохой знак. В основном споры возникают относительно измерений в квантовой механике. Проблему можно продемонстрировать на простом примере — измерении спина электрона. (Спин частицы в некотором направлении может быть понят как количественная мера вращения вещества вокруг оси, совпадающей с этим направлением.)

Все теории предсказывают, а эксперимент подтверждает, что при измерении спина электрона в некотором произвольно выбранном направлении можно получить только два значения. В одном случае спин будет равен положительному числу — универсальной физической константе. (Речь о константе h, которую Макс Планк ввел в своей теории теплового излучения, опубликованной в 1900 г., деленной на 4π.) Второй возможный вариант — то же значение, но с противоположным знаком. Положительное или отрицательное значение спина можно представить себе как вращение электрона либо по, либо против часовой стрелки вокруг выбранной оси[97].

Однако конкретное значение спин электрона приобретает только в процессе его измерения. Спин, который не был измерен, подобен музыкальному созвучию, составленному из двух нот, каждая из которых характеризуется собственной амплитудой и соответствует положительному или отрицательному спину. Как аккорд звучит иначе, чем каждая из составляющих его нот, так и состояние электронного спина, если оно еще не было измерено, является суперпозицией двух возможных состояний с определенными значениями спина, которая качественно отличается от каждого из этих двух состояний. Продолжая музыкальную аналогию, можно сказать, что измерение спина каким-то образом смещает интенсивность звучания аккорда к одной конкретной ноте, которую мы и слышим.

Этот эффект можно описать с помощью волновой функции. Если мы пренебрежем всеми свойствами электрона за исключением спина, то его волновая функция станет не очень-то волнообразной. Останется всего пара чисел, по одному на каждый знак спина относительно некоторого выбранного направления, аналогично амплитудам каждой из двух нот в аккорде. Два спина характеризуются четырьмя числами и т. д.[98] Волновая функция электрона, спин которого не был измерен, как правило, имеет ненулевые значения для спинов обоих знаков.

В квантовой механике существует правило, названное правилом Борна, которое определяет, как использовать волновую функцию для расчета вероятностей получения различных возможных результатов в экспериментах. Например, согласно правилу Борна, вероятности получения положительного или отрицательного значения при измерении спина в некотором выбранном направлении пропорциональны квадрату модуля волновой функции, характеризующей эти два состояния спина[99].

Введение вероятности в законы физики обеспокоило физиков прошлого, но проблема квантовой механики не в том, что она использует вероятности. Это мы можем пережить. Проблема в том, что уравнение Шрёдингера, которое в квантовой механике описывает изменение волновых функций во времени, не содержит вероятностей. Оно имеет такой же детерминистский характер, как и законы движения и гравитации Ньютона. То есть зная волновую функцию в некоторый момент времени, с помощью уравнения Шрёдингера можно точно определить, какой вид примет волновая функция в любой момент времени в будущем. Здесь даже нет возможности для хаотического поведения, возникающего при крайне высокой чувствительности решения уравнения к начальным условиям, которое может иметь место в ньютоновской механике. Поэтому если мы примем, что весь процесс измерения в целом описывается уравнениями квантовой механики, а эти уравнения являются совершенно детерминистскими, тогда как в квантовой механике возникают вероятности?

Отвечая на этот вопрос, обычно говорят, что в процессе измерения спин (или любая другая измеряемая величина) вступает во взаимодействие с макроскопической окружающей средой, которая подвержена случайным колебаниям. Скажем, окружающей средой может быть поток фотонов в луче света, с помощью которого проводится наблюдение за системой. Фотоны в луче так же непредсказуемы, как капли в дождевом потоке. Из-за влияния окружающей среды суперпозиция различных состояний в волновой функции разрушается, что приводит к определенному, хоть и непредсказуемому, результату измерения некоторой величины. (Этот процесс называется декогеренцией.) Это как если бы из шумового фона каким-то непредсказуемым образом выделилась одна слышимая нота. Однако тут встает вопрос. Если детерминистское уравнение Шрёдингера описывает временную зависимость не только спина, но также и измерительной системы, и ученого-физика, проводящего измерения, тогда результаты измерения в принципе не должны быть непредсказуемыми. Поэтому мы вынуждены повторить вопрос: так как же в квантовой механике возникают вероятности?

Одна разгадка этой тайны была предложена в 1920-х гг. Нильсом Бором. Впоследствии его формулировка легла в основу так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики. Согласно Бору, в процессе измерений происходит редукция состояния системы, например спина, к тому или иному результату, причем таким образом, который сам по себе не может быть описан в рамках квантовой механики и является по-настоящему непредсказуемым. Сегодня такой ответ многим кажется неприемлемым. Видимо, не существует способа провести границу между областями, в которых, согласно Бору, применима и не применима квантовая механика. Когда-то я учился в аспирантуре в Институте Бора в Копенгагене, но он был великим ученым, а я — молодым аспирантом, так что мне не выпал шанс задать ему вопрос напрямую.

Сегодня в квантовой механике наиболее распространены два общепринятых подхода, которые рассматривают вероятностный характер измерений с двух совершенно разных позиций[100]. Я называю эти два подхода «реалистичным» и «инструментальным». По причинам, которые я поясню, ни один из них не кажется мне вполне удовлетворительным[101].

Инструментальный подход наследует копенгагенскую интерпретацию, но вместо проведения воображаемой границы, за которой реальность уже не описывается квантовой механикой, этот подход вообще отвергает роль квантовой механики как способа описания реальности. Волновая функция по-прежнему есть, но это не реальная физическая сущность вроде частицы или поля. Наоборот, это всего лишь инструмент, который позволяет предсказывать вероятность различных исходов физических опытов.

Мне кажется, что проблема данного подхода не только в том, что он отказывается от изначальной цели науки — объяснять, что происходит на самом деле. Это капитуляция особенно печального типа. В рамках инструментального подхода нам придется принять в качестве фундаментальных законов природы правила (аналогичные упомянутому выше правилу Борна) использования волновой функции для расчета вероятностей различных результатов при проведении людьми измерений. Таким образом, человеческий фактор появляется в физических законах на самом фундаментальном уровне. По мнению пионера квантовой механики Юджина Вигнера, «без отсылки к сознанию невозможно сформулировать полностью согласованные законы квантовой механики»[102].

Итак, инструментальный подход игнорирует точку зрения, ставшую возможной после Дарвина, о том, что мир управляется объективными физическими законами, которые контролируют поведение человека так же, как и любые другие процессы. Дело не в том, что мы возражаем против влияния людей. Наоборот, мы хотим понять связь людей с природой, не закладывая характер этой связи в то, что считаем фундаментальными законами природы, но, скорее, выводя его из законов, которые не содержат ссылок на человека в явном виде. В итоге нам, может быть, и придется отказаться от этой цели, но я думаю, пока рано.

Некоторые физики, которые приняли инструментальный подход, утверждают, что вероятности, которые мы вычисляем с помощью волновой функции, являются объективными и не зависят от того, проводят ли люди измерения. Я не считаю это утверждение логичным. В квантовой механике эти вероятности не существуют до того момента, пока люди не выберут, что именно они будут измерять, например спин в том или ином направлении. В отличие от классической физики, выбор должен быть сделан, поскольку в квантовой механике не все величины могут быть измерены одновременно. Как показал Вернер Гейзенберг, частица не может одновременно иметь точно определенные значения координат и скорости. Аналогично если мы знаем волновую функцию, описывающую спин электрона, мы можем рассчитать вероятность того, что электрон будет иметь положительный спин в северном направлении, если его измерить, или вероятность того, что электрон будет иметь положительный спин в восточном направлении, если его измерить, но мы не можем поставить задачу о расчете вероятности положительности спина в обоих направлениях, поскольку нет такого состояния, в котором электрон имел бы точное значение спина в двух разных направлениях.

Эти проблемы удается частично обойти в рамках реалистичного подхода в квантовой механике[103]. Здесь волновая функция и ее детерминистская эволюция воспринимаются как объекты реальности. Однако возникают другие сложности.

Из реалистичного подхода есть очень странное следствие, впервые рассмотренное в докторской диссертации, защищенной ныне покойным Хью Эвереттом в Принстоне в 1957 г. Согласно реалистичному подходу, когда физик измеряет спин электрона, скажем, в северном направлении, волновая функция электрона, измерительная система и сам физик изменяют свои состояния в полном соответствии с детерминистским уравнением Шрёдингера; но в результате их взаимодействия в процессе измерения волновая функция становится суперпозицией двух членов, в одном из которых спин электрона положителен, и в этом мире для любого наблюдателя он будет положительным, а во втором члене спин отрицателен, и для любого наблюдателя он будет отрицательным. А поскольку все разделяют веру в то, что спин имеет одно определенное значение, суперпозиция становится невыявляемой. В результате история мира разделяется на два несвязанных друг с другом потока.

Довольно странно, но разделение истории должно происходить не только когда кто-то измеряет спин. В реалистичном подходе история мира нескончаемо расщепляется, и всякий раз макроскопическое тело оказывается связано с выбором квантовых состояний. Такая множественность миров дает благодатный материал для научной фантастики, а также разумное объяснение для Мультивселенной, где конкретная реализация мира, в котором мы обнаруживаем себя, ограничена требованием о том, что это должна быть реализация с условиями, благоприятными для существования разумных существ. Однако будущее всех этих параллельных миров крайне тревожное, так что я, как и многие другие физики, предпочел бы существование одного-единственного мира.

В реалистичном подходе есть еще одна неприятная вещь, выходящая за рамки нашей узкой темы. В этом подходе волновая функция Мультивселенной эволюционирует согласно детерминистскому закону. Мы можем говорить о вероятности как о доли времени, в течение которого существует тот или иной возможный результат измерений при их многократном повторении в одном из миров; однако законы, которые определяют наблюдаемые вероятности, должны следовать из детерминистской эволюции всей Мультивселенной. Если бы это было не так, то для предсказания таких вероятностей нам бы потребовалось принять некоторые дополнительные предположения о том, что происходит при выполнении человеком измерений, и это вернуло бы нас к проблемам инструментального подхода. В рамках реалистичного подхода было предпринято несколько попыток вывести законы, такие как правило Борна, которое, как мы знаем, хорошо подтверждается экспериментами, однако, насколько я знаю, эти попытки так и не увенчались успехом.

Реалистичный подход в квантовой механике столкнулся с проблемой другого рода еще задолго до появления работы Эверетта о множественности миров. Этот парадокс был описан в статье, опубликованной Эйнштейном в соавторстве с его коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном в 1935 г., и связан он с явлением «запутанности»[104].

Мы интуитивно склонны считать, что реальность может быть описана локально. Я могу сказать, что конкретно происходит в моей лаборатории, а вы можете сказать, что происходит в вашей, но нам нет нужды говорить о том, что происходит в обеих лабораториях одновременно. Однако в квантовой механике система может находиться в состоянии квантовой запутанности, состояние устанавливает взаимосвязь между частями системы, расположенными на сколь угодно большом удалении друг от друга, как между двумя концами очень длинной твердой палки.

Например, предположим, что у нас есть пара электронов, суммарный спин которых в некотором направлении равен нулю. В таком состоянии волновая функция (учитывающая только спин) представляет собой сумму двух слагаемых: первое слагаемое задает положительный спин электрона А и отрицательный спин электрона В, скажем, в северном направлении, тогда как во втором слагаемом волновой функции положительный и отрицательный знаки меняются местами. Спины электронов находятся в запутанном состоянии. Если не происходит ничего, что могло бы повлиять на эти спины, запутанность будет сохраняться, даже если электроны разлетятся на огромное расстояние. Как бы далеко друг от друга они ни находились, мы можем говорить только о волновой функции двух электронов, но не каждого по отдельности. Квантовая запутанность внесла не меньший, а может и больший вклад в недоверие Эйнштейна к квантовой механике, чем вероятностная модель.

Как ни странно, запутанность, следующая из законов квантовой механики, действительно наблюдается в экспериментах. Но как нечто столь нелокальное может олицетворять реальность?

Так что же нам делать с проблемами квантовой механики? Один из разумных ответов содержится в легендарном совете для любознательных студентов: «Замолчи и считай!» Спор ведь не о том, как использовать квантовую механику, а только о том, как понимать ее смысл, так что, возможно, это всего лишь проблема терминологии.

С другой стороны, проблемы, связанные с пониманием измерений в современной квантовой механике, могут сигнализировать о том, что теорию нужно менять. Квантовая механика настолько хорошо работает на уровне атомов, что любая новая теория должна быть практически неотличима от квантовой механики при рассмотрении столь мелких объектов. Однако новая теория может быть сконструирована таким образом, что суперпозиция состояний крупных объектов, таких как ученые-физики и их измерительные приборы, даже в условиях изоляции подвергается быстрому спонтанному коллапсу, при котором вероятности изменяются так, чтобы соответствовать результатам, получаемым в квантовой механике. Множественные миры Эверетта должны естественным образом свернуться к единому миру. Цель создания новой теории состоит в том, чтобы описать этот процесс как часть обычного физического процесса в рамках постквантовой теории, не придавая измерениям особый статус в физических законах.

Сложность создания такой новой теории связана с тем, что эксперимент не дает нам подсказок, в каком направлении двигаться, пока все данные согласуются с обычной квантовой механикой. Некоторые подсказки, однако, мы получаем из общих принципов, которые, как оказалось, задают удивительно строгие ограничения для любой новой теории.

Очевидно, вероятности должны быть заданы положительными числами, сумма которых равна 100 %. Еще одно требование, которое выполняется в обычной квантовой механике, состоит в том, чтобы в запутанных состояниях изменение вероятностей в процессе измерений не могло быть использовано для мгновенной передачи сигналов, поскольку иначе это будет нарушением теории относительности. СТО утверждает, что ни один сигнал не может быть передан со скоростью, превышающей скорость света. Если эти требования собрать вместе, оказывается, что самое общее изменение вероятностей удовлетворяет так называемому уравнению Линдблада[105]. Частным случаем уравнения Линдблада является уравнение Шрёдингера из обычной квантовой механики, однако в более общем случае в уравнение Линдблада входит ряд новых величин, которые описывают отступление от квантовой механики. Подробности об этих величинах нам, конечно, сейчас неизвестны. И хотя этого почти не заметили за пределами сообщества теоретиков, тем не менее уже вышла серия интересных статей, начиная с важной работы 1986 г. Джанкарло Гирарди, Альберто Римини и Туллио Вебера из Триесте, в которой для обобщения квантовой механики разными способами используется уравнение Линдблада.

В последнее время я раздумываю о возможностях экспериментального поиска признаков отклонения от обычных законов квантовой механики с помощью атомных часов. В основе любых атомных часов лежит изобретенное ныне покойным Норманом Рамзеем устройство, которое позволяет настраивать частоту микроволнового или оптического излучения на известное значение собственной частоты колебания атома, находящегося в суперпозиции двух состояний с разными уровнями энергии. Эта собственная частота равна отношению разности энергий двух состояний атома, используемого в атомных часах, к постоянной Планка. Собственная частота не зависит от внешних условий, поэтому ее можно использовать в качестве эталонной, подобно тому как цилиндр из платиново-иридиевого сплава, хранящийся в Севре[106], служит эталоном массы.

Подстройка частоты электромагнитной волны к этому эталонному значению немного похожа на подстройку частоты одного метронома к частоте другого. Если вы запустите два метронома вместе и их удары будут совпадать даже после тысячи повторений, вы сможете утверждать, что их частоты равны по крайней мере с точностью до одной тысячной. Квантово-механические расчеты показывают, что в атомных часах подстройка должна быть выполнена с точностью до 10–17, и такой точности действительно удается достичь. Но если бы поправки к квантово-механическим законам, которые описываются новыми членами уравнения Линдблада (представленные в энергетических единицах), были порядка 10–17 от разности энергий между состояниями атома в часах, то эта точность была бы потеряна[107]. Таким образом, величина новых членов должна быть намного меньше.

Насколько существенным является это ограничение? К сожалению, идеи о модификации квантовой механики представляют собой лишь смутные гипотезы, и мы пока не имеем ни малейшего представления, насколько велики могут оказаться поправки к квантово-механическим законам. Если принять во внимание не только эту проблему, но будущее квантовой механики в целом, то, на мой взгляд, здесь будет уместно процитировать Виолу из «Двенадцатой ночи»:

О время, здесь нужна твоя рука:

Мне не распутать этого клубка![108]

После публикации этой статьи Боб Сильверс предложил мне написать короткий ответ на множество комментариев, присланных в Review или непосредственно мне. Письмо, текст которого приводится ниже, было опубликовано в Review 6 апреля 2017 г.

Моя статья «Проблема квантовой механики» вызвала поток комментариев. Некоторые из них пришли от людей, не имеющих отношения к науке, которые были очарованы тем, что иногда физики могут не соглашаться друг с другом. Здесь есть место только для краткого обзора нескольких комментариев от физиков, предложивших аргументы в пользу тех интерпретаций квантовой механики, которые избавляют от необходимости модифицировать теорию. Увы, эти интерпретации отличаются друг от друга, но ни одна не кажется мне достаточно удовлетворительной.

Н. Дэвид Мермин из Корнеллского университета, используя характерную риторику, выступил за то, что я (но не он) назвал бы инструментальным подходом. С его точки зрения, наука имеет непосредственное отношение к связи между совокупным опытом каждого человека и внешним миром, который формирует этот опыт. Я ответил, что надеюсь на появление физической теории, которая позволит нам выяснить, что происходит в процессе измерений, с помощью объективных, применимых ко всему законов, не придавая людям особый статус в этих законах, и предположил, что наши разногласия связаны только с тем, что Мермин считает, будто я слишком сильно надеюсь на это. Он согласился, понимая, что эти надежды мои, а не его.

Томас Бэнкс из Ратгерского университета в нашей переписке и в черновике своей новой книги, напротив, описал свои изящные попытки избежать привнесения фактора человеческих измерений в законы природы. Он описывает измерение как взаимодействие системы, в которой проводится измерение, с макроскопической системой, где вероятности проявляются практически как в классической физике. Однако в этом случае все еще необходимо внести в законы природы предположения об этих вероятностях, которые я могу трактовать только как вероятности результатов измерения, получающихся, когда люди решат, какую величину измерять.

У меня была интересная переписка с Робертом Гриффитсом из Университета Карнеги — Меллона и Джеймсом Хартлом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, в которой мы обсуждали интерпретацию квантовой механики, известную как подход «последовательных миров» (или «декогерентных миров»). Этот подход был предложен в 1984 г. Гриффитсом, а позже его развивали Хартл и Мюррей Гелл-Манн. Предполагается, что законы природы связывают вероятности с историями развития мира, а не только с результатами одиночного измерения. Я подробно описал этот подход в своем учебнике «Лекции по квантовой механике», но не затрагивал его в своей статье, поскольку решил, что у него те же недостатки, что и у всех инструментальных подходов. Волновые функции для миров с такими историями связаны с усреднением по большей части переменных при некоторых фиксированных величинах, как если бы они были измерены, но истории, в которых фиксируются разные величины, несовместимы, и именно люди должны выбрать конкретный вариант истории, с которым будут соотнесены вероятности. Гриффитс разработал нечто вроде квантовой логики, согласующейся с его подходом, но она меня не удовлетворила. Хартл и Гелл-Манн, вероятно, в некоторой степени разделяют эту неудовлетворенность, поскольку они продвинулись в определении одного «правильного» варианта истории так, чтобы его не нужно было выбирать людям, однако им пришлось ввести странные отрицательные вероятности для описания истории такого типа. Моя неудовлетворенность никуда не делась.

Джереми Бернштейн, сотрудник The New York Review of Books, как и Мермин, считает, что в квантовой механике в ее современном виде нет никаких проблем, но он рассказал анекдот, который говорит об обратном: «В Праге один из посетителей заметил, что окна кабинета Эйнштейна выходят во двор психиатрической лечебницы. Эйнштейн объяснил, что там содержатся те безумцы, которые не думали о квантовой механике».

III. Общественные вопросы

15. Обама финансирует космос правильно

Бюджет, подготовленный администрацией Обамы в январе 2010 г., дал мне повод нанести еще один удар по расходам на пилотируемую космическую программу, с критикой которой я выступаю многие годы (без особого результата). В 2004 г. президент Джордж Буш — младший объявил о грандиозной программе пилотируемых космических полетов: возвращение на Луну, а затем полет на Марс! Вскоре после этого я опубликовал статью под названием «Не то, что нужно» (The Wrong Stuff) в журнале The New York Review of Books, где критиковал эту программу за ее дороговизну и научную бессмысленность, но при этом делал оптимистичные прогнозы о том, что будущие президенты не станут продолжать ее финансирование. Шесть лет спустя в бюджете, принятом президентом Обамой, были резко сокращены расходы на пилотируемые космические полеты.

Не все в Техасе порадовались этому. Администрирование американской пилотируемой космической программы осуществляется в Космическом центре им. Линдона Джонсона в Хьюстоне, и это дает местным жителям работу и чувство гордости. Но я был рад урезанию бюджета на пилотируемые полеты и написал колонку, в которой объяснил свою позицию. Я был немного удивлен, когда этот текст взяли в Wall Street Journal, поскольку мне казалось, что члены редакционного совета этой газеты не являются поклонниками президента Обамы. Возможно, они не смогли устоять перед статьей, восхваляющей сокращение федерального бюджета, к какой бы его части оно ни относилось. Статья вышла 4 февраля 2010 г. Редакторы добавили подзаголовок «Мы можем отправить сотни роботов на Марс по цене одной пилотируемой миссии», с которым я восторженно согласился. Позже статья была перепечатана некоторыми ведущими техасскими газетами — Dallas Morning News, Houston Chronicle и Austin American-Statesman.

В федеральном бюджете, опубликованном на этой неделе, президент Обама запланировал повышение финансирования NASA на 2 % при сокращении программы пилотируемых космических полетов. Если конгресс одобрит сокращение, скорее всего, это будет означать отказ от планов по возвращению астронавтов на Луну. Некоторые говорят, что сокращение нанесет урон по американским науке и технологиям, однако президентская программа расходов скорее подтолкнет их развитие.

Программа пилотируемых космических полетов только притворяется научной, но на самом деле она вытесняет из NASA настоящую науку, которая целиком построена на беспилотных миссиях. В 2004 г. президент Джордж Буш — младший объявил о новой стратегии для Космического агентства: возвращение астронавтов на Луну, а затем пилотируемая экспедиция на Марс. Через несколько дней NASA объявила о существенных сокращениях в своих важнейших программах беспилотных астрономических исследований Beyond Einstein и Explorer. Они объяснили это тем, что программы «не поддерживают в полной мере цели президентской стратегии космических исследований».

Вскоре после выступления Буша-младшего я дал прогноз, что отправка астронавтов на Луну и Марс будет настолько дорогой, что будущие администрации откажутся от этого плана. Кажется, мой прогноз осуществился.

Все блестящие астрономические открытия прошлого, которые можно отнести на счет NASA, были сделаны с помощью беспилотных спутниковых обсерваторий, а предстоит сделать еще больше. Анализируя поляризацию реликтового излучения, мы можем найти подтверждение существования гравитационных волн, возникших в первые мгновения после Большого взрыва. С помощью лазерных лучей, пересылаемых между группами спутников, мы сможем обнаружить гравитационные волны, возникшие непосредственно в результате столкновения нейтронных звезд и черных дыр[109]. Устанавливая соотношение между расстояниями и скоростями множества галактик, мы сможем исследовать загадочную темную энергию, на долю которой приходится большая часть энергии Вселенной.

Ни для одной из этих задач не нужны астронавты. Стоимость всех этих проектов составит несколько миллиардов долларов — не дешево, но это ничто по сравнению с сотней миллиардов долларов, которые потребуются для возращения на Луну, или многих сотен миллиардов долларов для пилотируемой миссии на Марс.

Астронавты внесли большой вклад в астрономию, обслуживая космический телескоп Hubble, это правда. Однако, если бы телескоп Hubble был выведен на орбиту с помощью беспилотных ракет, а не космического шаттла, мы сэкономили бы столько денег, что можно было бы вместо обслуживания одного телескопа запустить на орбиту полдюжины таких телескопов, что вообще избавило бы от необходимости в обслуживании.

В любом случае аргумент в пользу привлечения астронавтов для обслуживания спутниковых обсерваторий уже не актуален. Существующие беспилотные обсерватории, такие как сверхуспешные WMAP (зонд Уилкинсона по исследованию анизотропии реликтового излучения) и новый спутник Европейского космического агентства Planck, с помощью которых изучают ранний этап расширения Вселенной, предшествовавший образованию материи, сейчас находятся на низких околоземных орбитах, как и Hubble, но только в точке L2. Это такая точка в пространстве, которая находится на прямой, соединяющей Солнце и Землю. Она всегда остается позади Земли и удалена на миллионы километров от нашей планеты — за пределы досягаемости астронавтов. Наследник Hubble, космический телескоп имени Джеймса Уэбба, также будет размещен в точке L2.

Отказ от пилотируемых космических полетов не означает, что мы ставим крест на исследовании Солнечной системы. Президентский проект бюджета предусматривает расходы на NASA в объеме $19 млрд, и вместо одной дорогостоящей отправки нескольких астронавтов в какую-то одну точку на Марсе мы за гораздо меньшие деньги сможем послать сотни роботов, таких как Spirit и Opportunity, в разные места по всей планете.

Трудно получить достоверную оценку стоимости отправки астронавтов на Марс, однако я не слышал ни об одной такой оценке, которая была бы меньше нескольких сотен миллиардов долларов. Стоимость отправки на Марс роботов Spirit и Opportunity составляла меньше одного миллиарда. Беспилотное исследование Марса будет более полезно не только для науки; оно также даст гораздо больше ценных сопутствующих технологий, которые пригодятся на Земле, например технологии создания робототехники и управляющих компьютерных программ, которые смогут автономно работать в непредсказуемых условиях.

Единственная технология, для развития которой нужна программа пилотируемых космических полетов, — это технология жизнеобеспечения в космосе. А единственным потребителем этой технологии является сама программа пилотируемых космических полетов.

16. Кризис большой науки

Всемирный фестиваль науки — это популярный научный слет, основанный Брайаном Грином и Трейси Дей. Каждую весну жители Нью-Йорка могут принять участие в фестивальных панельных дискуссиях или послушать краткие научно-популярные лекции. В 2011 г. организаторы фестиваля решили запустить серию ежегодных научных лекций под общим названием «На плечах гигантов». Мне предложили прочитать первую приветственную лекцию в этой серии. Я согласился, поскольку хотел обсудить вопрос, тревоживший меня некоторое время, а именно ухудшающиеся перспективы государственной поддержки большой науки, например крупных проектов в области экспериментальной физики и астрономических наблюдений. Мое выступление на Всемирном фестивале науки состоялось 4 июня 2011 г., а 9 января 2012 г. эту же лекцию я прочитал на пленарном заседании Американского астрономического сообщества в Остине. В конце выступления я взял на себя смелость выйти за рамки политики в области науки и призвал повысить расходы на все самые разные общественные нужды.

Статья, в основу которой легла та моя лекция, была опубликована в журнале The New York Review of Books 10 мая 2012 г., а позже ее поместили в сборник «Лучшие тексты Америки о науке и природе» (The Best American Science and Nature Writing / New York: HarperCollins, 2012). В New York Review прекрасно проиллюстрировали контраст между современной большой фундаментальной наукой и научными исследованиями прошлого фотографией, на которой был запечатлен огромный котлован, вырытый для Сверхпроводящего суперколлайдера (этот проект позже был закрыт), и фотографией Эрнеста Резерфорда, держащего в своих руках прибор, с помощью которого ему впервые удалось осуществить распад атомного ядра.

В прошлом году физическое сообщество отмечало столетнюю годовщину открытия атомного ядра. В экспериментах, поставленных в лаборатории Эрнеста Резерфорда в Манчестере в 1911 г., пучок заряженных частиц, испускаемых в результате радиоактивного распада радия, был направлен на тонкую золотую фольгу. В те времена было принято считать, что в атоме, как в пудинге, почти вся масса равномерно распределена по объему. В таком случае тяжелые заряженные частицы от распада радия должны были бы проходить через золотую фольгу с очень незначительным отклонением. К удивлению Резерфорда, некоторые из этих частиц отскакивали от фольги почти в обратном направлении, и это показывало, что они были отражены чем-то маленьким и тяжелым, находящимся внутри атомов золота. Резерфорд заключил, что это были атомные ядра, вокруг которых, почти как планеты вокруг Солнца, вращаются электроны.

Это было великое научное открытие, но его вряд ли можно назвать большой наукой. Экспериментальная группа Резерфорда состояла из одного аспиранта и одного научного сотрудника. В поддержку своей работы они получили грант Лондонского королевского общества в размере всего £70. Самым дорогим элементом экспериментальной установки был радий, однако Резерфорду даже не пришлось за него платить — радий одолжила Австрийская академия наук.

Вскоре ядерная физика стала масштабнее. Заряженные частицы, которые в эксперименте Резерфорда испускал радий, не обладали достаточной энергией, чтобы преодолеть силу электрического отталкивания ядер золота и проникнуть в сами ядра. Чтобы пробраться внутрь ядер и выяснить, что они из себя представляют, в 1930-е гг. физиками были изобретены циклотроны и другие устройства, разгоняющие заряженные частицы до высоких энергий. Ныне покойный Морис Гольдхабер, возглавлявший когда-то Брукхейвенскую национальную лабораторию, вспоминал: «Первым, кто сумел развалить ядро, был Резерфорд. Есть его фотография, где он держит экспериментальный прибор на коленях. Я теперь всегда вспоминаю недавнюю фотографию, на которой изображен один из знаменитых циклотронов, построенный в Беркли, и вся команда, расположившаяся на нем».

После Второй мировой войны строительство ускорителей возобновилось, только теперь с новой целью. Наблюдая за космическим излучением, физики обнаружили некоторый набор элементарных частиц, отличавшихся от тех, которые есть в обычных атомах. Для исследования этого нового типа материи было необходимо искусственно создавать такие частицы в огромных количествах. Физикам нужно было ускорять пучки обычных частиц, например протонов (ядер атома водорода), до высоких энергий, чтобы при столкновении протонов с атомами неподвижной мишени их энергия могла быть преобразована в массы частиц новых типов. Дело тут не в установке рекордов мощности ускорителей и даже не в коллекционировании все новых и новых экзотических видов частиц (как орхидей). Цель создания подобных ускорителей состоит в том, чтобы, получая новые виды материи, изучать законы природы, которые описывают все формы материи. И хотя многие физики предпочитают работать в стиле Резерфорда с экспериментами малых масштабов, логика исследований вынуждает физику переходить на новый уровень.

В 1959 г. я стал научным сотрудником Радиационной лаборатории в Беркли. В то время Университет в Беркли располагал самым мощным в мире ускорителем, Беватроном, который занимал целое большое здание на холме, возвышавшемся над кампусом. Беватрон был разработан специально для ускорения протонов до энергий, достаточных для создания антипротонов, и получение антипротонов ни для кого не стало сюрпризом. Удивительным было то, что вместе с антипротонами также были получены сотни типов новых крайне нестабильных частиц. Этих новых типов частиц оказалось так много, что возникло сомнение, можно ли считать их элементарными и действительно ли мы понимаем, что такое элементарная частица. Все это сильно сбивало с толку, но и вдохновляло тоже.

После 10 лет работы на Беватроне стало понятно, что для осмысления полученных результатов потребуется новое поколение ускорителей частиц высоких энергий. Эти новые ускорители должны быть огромными, а потому их невозможно разместить в лаборатории на холмах Беркли. Кроме того, многие из них потребуют большой команды исследователей и уже не смогут управляться силами одного университета. Однако если для Беркли это был кризисный момент, то для физики — нет. Новые ускорители были построены в лаборатории Фермилаб[110] в пригороде Чикаго, в CERN недалеко от Женевы и в других лабораториях США и Европы. Ускорители были слишком большими, их невозможно было разместить в здании, поэтому теперь они стали атрибутами ландшафта. Длина нового ускорителя в Фермилаб достигала почти 6,5 км. На территории восстановленных прерий Иллинойса, где расположен ускоритель, пасется стадо бизонов.

К середине 1970-х гг. работа экспериментаторов в этих лабораториях и теоретиков, использующих собранные данные, привела к появлению полной, а теперь еще и многократно проверенной теории частиц и взаимодействий, получившей название Стандартной модели. Согласно этой теории, существует несколько типов элементарных частиц. Есть сильно взаимодействующие кварки, из которых состоят протоны и нейтроны атомных ядер, а также большая часть новых частиц, открытых в 1950–1960-х гг. Есть слабо взаимодействующие частицы, названные лептонами, прообразом которых является электрон. Есть частицы, обмен которыми между кварками и лептонами приводит к различным типам взаимодействий. К этому типу переносящих взаимодействия частиц относятся: фотон, частица света, ответственная за электромагнитное взаимодействие; близкородственные частицы W и Z, отвечающие за слабое ядерное взаимодействие, благодаря которому кварки или лептоны одного вида могут превращаться в частицы другого вида; и безмассовые глюоны, посредством которых осуществляется сильное ядерное взаимодействие, удерживающее кварки внутри протонов и нейтронов.

Успех Стандартной модели, очевидно, не означает конца истории. Во-первых, значения массы кварков и лептонов в этой теории получаются из эксперимента, а не рассчитываются из первых принципов. Мы уже десятилетиями смотрим на список этих масс и чувствуем, что должны понять его, но пока он кажется бессмысленным. Это как если бы мы пытались прочитать надпись, сделанную на утерянном языке, например, с помощью линейного письма А[111]. Кроме того, некоторые ужасно интересные вещи не входят в Стандартную модель, например гравитация и темная материя, на которую, как говорят астрономы, приходится до 5/6 всей материи Вселенной.

Так что теперь мы ждем результатов от нового ускорителя в CERN, который, как мы надеемся, позволит сделать следующий шаг в развитии Стандартной модели. Речь идет о Большом адронном коллайдере. Он представляет собой подземный кольцевой туннель длиной 26,6 км на границе Швейцарии и Франции. В нем два пучка протонов разгоняются в противоположных направлениях до энергий, которые со временем достигнут 7 ТэВ в каждом пучке, а это примерно в 7500 раз больше энергии, сосредоточенной в массе протона. Пучки сталкиваются в нескольких специальных местах кольца, где установлены детекторы, имеющие массу военного крейсера времен Второй мировой войны. Детекторы предназначены для обнаружения различных частиц, образующихся в результате столкновений.

Некоторые из новых открытий, которые должны быть сделаны на БАК, мы ждем уже давно. Представленная в 1967–1968 гг. часть Стандартной модели, которая объединяет слабое и электромагнитное взаимодействия, основана на точной симметрии между этими взаимодействиями[112]. Переносящие слабое ядерное взаимодействие W- и Z-частицы и переносящие электромагнитное взаимодействие фотоны представлены в уравнениях теории в виде безмассовых частиц. Тем не менее хоть фотоны действительно не имеют массы, W- и Z-частицы на самом деле довольно тяжелые. Поэтому было сделано предположение, что эта симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействиями нарушается, то есть, несмотря на строгую симметрию уравнений теории, она не проявляется в наблюдаемых частицах и взаимодействиях.

Первоначальная и все еще простейшая теория нарушения электрослабой симметрии, предложенная в 1967–1968 гг., вводит четыре новых поля, которые пронизывают Вселенную. Пучки энергии одного из этих полей должны проявляться в природе в виде массивной нестабильной электрически нейтральной частицы, которая получила название бозон Хиггса[113]. Все свойства бозона Хиггса, за исключением его массы, были предсказаны теорией электрослабого взаимодействия 1967–1968 гг., однако и до недавнего времени эту частицу не удавалось обнаружить. Именно поэтому на БАК ищут бозон Хиггса — если он будет найден, это подтвердит простейшую версию теории электрослабого взаимодействия. В декабре 2011 г. две группы исследователей намекнули, что на БАК удалось получить бозон Хиггса, масса которого в 133 раза больше массы протона, и после этого признаки бозона Хиггса с такой массой были выявлены при анализе более старых данных, полученных в Фермилаб. К концу 2012 г. мы будем знать, был ли действительно обнаружен бозон Хиггса[114].

Открытие бозона Хиггса будет приятным подтверждением существующей теории, однако оно не укажет нам направление, в котором следует двигаться для создания более полной теории. Как и в случае с Беватроном, мы можем надеяться, что самым захватывающим открытием, сделанном на БАК, будет нечто совершенно неожиданное. Как бы то ни было, сейчас сложно предполагать, как это может приблизить нас к окончательной теории, включающей и гравитацию. Так что в следующие 10 лет, вероятно, физики обратятся к своим правительствам за поддержкой независимо от того, зачем именно потребуются новые ускорители.

Скорее всего, это будет очень тяжелая торговля. Мой пессимизм отчасти связан с личным опытом привлечения финансирования для другого большого ускорителя в 1980-х и 1990-х гг.

В начале 1980-х гг. США начали проектировать Сверхпроводящий суперколлайдер (SSC), в котором протоны разгонялись бы до энергии в 20 ТэВ, что почти в три раза больше максимального значения, потенциально достижимого на БАК. После 10 лет работы проект был готов, выбрано место в Техасе, приобретена земля и начаты строительство туннеля и создание магнитов для управления движением протонов.

Позже, в 1992 г., палата представителей отменила финансирование SSC. На встрече совета Белого дома и сената финансирование восстановили, но на следующий год история повторилась, и на этот раз Белый дом не стал созывать собрание совета. Потратив почти $2 млрд и тысячи человеко-лет рабочего времени, проект SSC похоронили.

Одной из причин смерти SSC оказалась его репутация транжиры, на мой взгляд незаслуженная. В прессе даже появились абсурдные сообщения о расходах на комнатные растения для украшения коридоров административного корпуса. Стоимость проекта действительно возросла, но одной из причин было то, что год за годом конгресс выделял недостаточно средств для покрытия запланированных расходов. Из-за этого увеличивалось время реализации проекта, а значит, и его стоимость. Тем не менее SSC решал все технические проблемы и мог быть достроен примерно за те же деньги, которые были потрачены на БАК, причем достроен на десять лет раньше БАК.

Расходы на SSC стали мишенью для нового класса конгрессменов, пришедших после выборов 1992 г. Они страстно желали показать, что могут отрезать кусок от проекта, который им представлялся этаким техасским поросенком, и не понимали, как много стоит на кону. Холодная война закончилась, и никто не ждал, что исследования на SSC немедленно найдут какое-то практически важное применение. Ученые могли назвать некоторые побочные технологии, связанные с физикой высоких энергий, например синхротронное излучение[115] или World Wide Web. В продвижении изобретения большая наука — это в некотором смысле технологический аналог войны, только она никого не убивает. Однако невозможно заранее обещать, что большая наука породит конкретные побочные технологии.

Что действительно мотивирует ученых, работающих в области физики элементарных частиц, так это осознание упорядоченности мира: они верят, что этот мир подчиняется простым универсальным принципам, которые мы способны постичь. Но не все понимают важность этого. В период споров вокруг SSC я принял участие в радиопередаче Ларри Кинга вместе с конгрессменом, который был против строительства ускорителя. Он говорил, что не против финансирования науки, но нужно расставить приоритеты. Я объяснял, что SSC может помочь нам в познании законов природы, и спросил, заслуживает ли эта цель того, чтобы считаться приоритетной задачей. Я помню ответ конгрессмена дословно. Ответ был: «Нет».

Законодатели руководствуются сиюминутными экономическими интересами своих избирателей. Большие лаборатории дают рабочие места и заработок, поэтому они получают активную поддержку со стороны законодателей штата и безразличие или враждебность со стороны многих остальных членов конгресса. Как рассказал мне один сенатор, до того как была выбрана площадка в Техасе, сотни сенаторов поддерживали SSC, но, как только место для строительство было выбрано, число сторонников проекта резко сократилось до двух. И в этой истории нет большого преувеличения. Мы видели, как несколько членов конгресса изменили свою позицию по SSC после того, как их штаты были исключены из числа претендентов на размещение ускорителя.

Еще одна проблема, которая терзала проект SSC, заключалась в соперничестве среди ученых за получения финансирования. Ученые, работающие во всех областях науки, как правило, соглашались с тем, что на SSC можно было бы провести отличные научные исследования, но некоторые считали, что лучше потратить деньги на другие области науки, например на ту, в которой они сами работают. Не шло на пользу проекту и то, что против него выступал избранный президент Американского физического общества, ученый, чья область интересов относилась к физике твердого тела. Он считал, что средства, которые требуются для SSC, принесут больше пользы, если направить их, скажем, на физику твердого тела. Однако ни один из фондов, сохраненных в результате отмены проекта SSC, не был направлен в другие области науки, и это не доставило мне повода для злорадства.

Все эти проблемы возникнут снова, когда физики пойдут к своим правительствам за следующим ускорителем после БАК. Все будет только хуже, поскольку строительство ускорителя следующего поколения, по всей видимости, потребует международного участия. Недавно мы видели, как проект создания лаборатории по развитию управляемой термоядерной энергетики, ITER, был почти уничтожен соперничеством Франции и Японии за право разместить лабораторию на своих территориях.

В фундаментальной физике есть вещи, которые можно сделать и без строительства ускорителей нового поколения. Мы продолжим наблюдать за случайными процессами, например чрезвычайно маловероятным гипотетическим радиоактивным распадом протона. Многое предстоит сделать в области изучения свойств нейтрино. Мы получаем некоторую полезную информацию от астрономов. Однако я не верю, что мы добьемся значительного прогресса, не раздвигая границы физики высоких энергий. Так что в следующие 10 лет мы можем увидеть замедление поиска законов природы вплоть до полной его остановки, и восстановление его произойдет уже не при нашей жизни.

Финансирование — проблема для всех сфер науки. В последние 10 лет Национальный научный фонд зафиксировал падение доли заявок на гранты, которые фонд может профинансировать, с 33 до 23 %. Вместе с тем особая проблема большой науки состоит в том, что уменьшить ее, науки, масштаб крайне не просто. Бесполезно строить ускоритель, туннель которого протянут только на половину кольца.

История астрономии сильно отличается от истории физики, однако страдает преимущественно от тех же проблем. Астрономия рано стала большой наукой при существенной государственной поддержке, поскольку астрономия приносила пользу так, как до недавнего времени этого не удавалось физике[116]. В Древнем мире астрономия использовалась в задачах геодезии и навигации, при хронометрировании и составлении календарей, а в форме астрологии она считалась полезной для предсказаний. Государства создавали исследовательские институты: Александрийский мусейон эпохи эллинизма, Дом мудрости в Багдаде IX в.; огромная обсерватория в Самарканде, построенная в 1420 г. Мирзо Улугбеком; Ураниборг, обсерватория Тихо Браге, построенная на острове, который был выделен датским королем специально для этой цели в 1576 г.; Гринвичская обсерватория в Англии; позже — военно-морская обсерватория США.

В XIX в. богатые частные лица начали щедро тратить деньги на астрономию. Третий граф Росс с помощью громадного телескопа под названием Левиафан в своей домашней обсерватории открыл, что туманности, которые, как мы теперь знаем, являются галактиками, имеют спиральные рукава. В Америке обсерватории и телескопы называли в честь спонсоров, например Лик, Йеркес и Хукер, из более поздних — Кек, Хобби и Эберли.

Однако теперь перед астрономией стоят задачи, которые не могут быть решены за счет частных лиц. Мы должны отправлять обсерватории в космос, чтобы избежать размытия изображений, обусловленного влиянием земной атмосферы, а также чтобы наблюдать за излучением, которое не может пройти сквозь атмосферу. Спутниковые обсерватории, такие как COBE, космический телескоп Hubble и WMAP (зонд Уилкинсона по исследованию анизотропии реликтового излучения), совершили революцию в космологии, работая в тандеме с передовыми наземными обсерваториями. Теперь мы знаем, что современная фаза Большого взрыва началась 13,7 млрд лет назад. Мы располагаем надежными свидетельствами тому, что этой фазе предшествовала фаза экспоненциально быстрого расширения, называемая инфляцией.

Тем не менее космология подвергается риску стагнации практически в том же виде, в каком десятилетиями стагнировала физика элементарных частиц. Открытие ускоряющегося расширения Вселенной, совершенное в 1998 г., может быть описано разными теориями, и у нас нет наблюдений, которые позволили бы выбрать из них правильную. Регистрация реликтового излучения, оставшегося со времен ранней Вселенной, подтвердила общую идею об инфляции, но она не дает подробной информации о физических процессах, связанных с расширением. Будут нужны новые спутниковые обсерватории, но найдутся ли деньги на их создание?

Недавняя история космического телескопа имени Джеймса Уэбба, который должен был выйти на смену Hubble, к сожалению, напоминает историю SSC. По требованию администрации Обамы финансирование проекта будет продолжено, но на таком уровне, который делает невозможным вывод телескопа на орбиту. В июле комитет по ассигнованиям в палате представителей проголосовал за полную отмену программы создания телескопа Уэбба. Было недовольство ростом стоимости проекта, но, как и в случае с SSC, рост стоимости во многом был связан с тем, что из года в год проект недостаточно финансировался[117]. Недавно финансирование было вновь возобновлено, но прогноз на будущее нерадостный. Проект забрали у Управления по научным исследованиям NASA. Техническое исполнение проекта «Уэбб» было превосходным, миллиарды долларов уже потрачены, но так же было и с SSC. Результат известен.

Тем временем за последние несколько лет в NASA сократилось финансирование астрофизики. В 2010 г. Национальный исследовательский совет представил обзор перспектив астрономии на следующие десять лет, расставив приоритеты для новых космических обсерваторий. Высший приоритет получил WFIRST, инфракрасный обзорный телескоп; следующей стала Explorer, программа обсерваторий среднего размера, похожих по масштабу на WMAP; далее идет LISA, детектор гравитационных волн; и, наконец, международная рентгеновская обсерватория. Ни один из этих проектов так и не был заложен в бюджет.

В некоторой степени слабость большой науки компенсируется Европой, например, такими проектами, как БАК и новая спутниковая микроволновая обсерватория Planck. Но в Европе финансовые проблемы серьезнее, чем в США, и сейчас Европейская комиссия рассматривает вопрос об удалении крупных научных проектов из бюджета ЕС.

У космической астрономии в США отдельная проблема. NASA, государственное агентство, отвечающее за эту работу, всегда тратило больше своих ресурсов на пилотируемые космические полеты, которые науке дают крайне мало. Все космические обсерватории, которые за последние несколько лет внесли огромный вклад в развитие астрономии, были беспилотными. Международная космическая станция создавалась отчасти как научная лаборатория, но оттуда не пришло ни одного важного научного результата. В прошлом году на МКС доставили детектор космических лучей Alpha Magnetic Spectrometer (после неудавшейся попытки NASA убрать его из расписания полетов), и впервые на МКС могут быть получены значимые для науки результаты, но астронавты не будут иметь никакого отношения к работе детектора, так что можно было сделать его намного дешевле, разместив на беспилотном спутнике.

МКС сыграла свою роль в отмене программы SSC. По обоим этим проектам в 1993 г. прошло ключевое голосование в конгрессе. Поскольку управление космической станцией должно было осуществляться из Хьюстона, оба проекта считались техасскими. В 1993 г. после обнадеживающей активной поддержки SSC в администрации Клинтона решили, что смогут поддержать только один крупный технологический проект в Техасе, и выбрали МКС. Члены конгресса смутно представляли себе разницу. На слушаниях перед заседанием комитета Белого дома один из конгрессменов сказал, что понимает, как МКС поможет нам исследовать Вселенную, но не может понять, зачем нужен SSC. Я едва не закричал. У МКС есть огромное преимущество в том, что ее стоимость в десять раз больше, чем стоимость SSC, поэтому NASA сможет распределить контракты по многим штатам. Возможно, если бы проект SSC стоил дороже, то его бы не отменили.

Большая наука конкурирует за государственное финансирование не только с программами пилотируемых космических полетов и различными программами прикладной науки, но еще и со многими другими вещами, которыми должно заниматься государство. Мы недостаточно тратим на образование, если хотим, чтобы преподавание стало привлекательным карьерным выбором для лучших выпускников наших колледжей. Качество пассажирского железнодорожного транспорта и интернет-услуг у нас становится все хуже по сравнению с тем, что можно найти в странах Европы и Восточной Азии. Нам не хватает патентных инспекторов, чтобы обрабатывать новые патентные заявки без нескончаемых задержек. Переполненность и нехватка персонала в некоторых наших тюрьмах сродни жестокому и исключительному наказанию. Мы испытываем нехватку судей, поэтому гражданские судебные дела тянутся годами. В Комиссии по ценным бумагам и биржам не хватает людей, чтобы побеждать в делах против корпораций, за регулирование действий которых она несет ответственность. Не хватает реабилитационных центров для людей с наркозависимостью, желающих от нее избавиться. Число полицейских и пожарных уменьшилось по сравнению с тем, что было до терактов 11 сентября. Многие жители Америки не могут рассчитывать на адекватную медицинскую помощь. И этот список можно продолжать. Фактически действующий созыв конгресса о многих других государственных обязанностях заботится хуже, чем о науке. Все эти проблемы усугубятся, если наши законодатели примут 8 %-ное сокращение бюджета на невоенные расходы на следующий год.

Нам не следует пытаться защищать науку, критикуя расходы на все остальные нужды. Мы проиграем, и заслуженно проиграем. Несколько лет назад я обедал с членом комитета по ассигнованиям техасской палаты представителей. Я был впечатлен ее красноречивыми рассуждениями о необходимости тратить деньги на улучшение высшего образования в Техасе. Какой профессор государственного университета не будет рад услышать такое? Я наивно спросил, из каких новых источников доходов она предлагает брать деньги. На что получил ответ: «О, нет, я не хочу поднимать налоги. Мы можем сократить расходы на медицину».

Мне кажется, нам не нужны более настойчивые просьбы в пользу того или иного конкретного общественного блага. Что нам действительно нужно, так это объединить усилия людей, которых волнуют эти проблемы, чтобы восстановить повышенные и прогрессивные налоги, особенно на инвестиционные доходы. Я не экономист, но я разговаривал с экономистами и понял, что государственные расходы стимулируют экономику лучше, чем сокращение налогов. Разговоры о том, что мы не можем себе позволить повысить государственные расходы, попросту обман. Однако, принимая во внимание антиналоговую манию, которая, кажется, охватила общество, подобные взгляды ведут к политическому самоубийству. Это настоящий кризис, причем не только в науке.

17. Либеральное разочарование

Осенью 2012 г. вышел специальный «предвыборный номер» журнала The New York Review of Books, посвященный грядущим президентским выборам, где главными соперниками были Барак Обама и Митт Ромни. Авторами номера выступили ведущие комментаторы по национальной политике, среди которых Элизабет Дрю, Рональд Дворкин, Касс Санстейн и Гарри Уиллс. Неудивительно, что общим мотивом их комментариев была поддержка перевыборов президента Обамы. Я оказался в меньшинстве, будучи единственным среди авторов номера ученым, и, несмотря на то что в 2008 г. голосовал за Барака Обаму, руководствуясь либеральными взглядами, больше не испытывал особого энтузиазма в отношении его президентства.

Теперь, когда мы наблюдаем за началом работы новой администрации, кандидатура Обамы на посту президента выглядит лучше, чем тогда, в 2012 г. Я не буду здесь оценивать все его плюсы и минусы. Я только хочу высказать свое мнение о том, что если бы Обама решительно взялся за проблему неравенства и прежде всего поддержал бы профсоюзы, тогда, даже если бы он не нашел общий язык с конгрессом, то смог бы под своим флагом объединить либералов и трудящихся и нам не пришлось бы терпеть Дональда Трампа на посту президента США.

Разочарование в президентском сроке Барака Обамы началось за две недели до его инаугурации, 6 января 2009 г., в первый день работы конгресса 111-го созыва. В этот или на следующий день правила сената могли быть изменены простым большинством голосов, что закрыло бы возможность сенаторам-республиканцам блокировать либеральную программу, занимаясь обструкцией[118]. Конечно, ни избранный президент, ни уже вступивший в должность президент не имеют полномочий менять правила сената, но именно этот избранный президент имел широкие возможности оказать давление на сенаторов. Например, он мог противостоять лидеру сенатского большинства, сенатору от штата Невада Гарри Риду, надеясь на поддержку администрации в вопросе о репозитории ядерных отходов Юкка Маунтин, главным препятствием для строительства которого была его непопулярность в Неваде. Увы, оказалось, что Барак Обама — это не Линдон Джонсон.

Несмотря на то что следующие два года демократы имели большинство в обеих палатах конгресса, способность республиканцев к затягиванию обсуждений в сенате означала, что для принятия любых законов или одобрения любых назначений двум партиям нужно будет находить компромисс. Компромисс такого рода мог бы быть в любом случае благоприятен для президента Обамы, однако после 6 января он стал неизбежным. Как следствие, у нас теперь есть план реформы здравоохранения, основанный на дорогостоящем индивидуальном страховании, даже без общедоступного варианта. Наши местные и федеральные власти вынуждены сокращать учителей, полицейских и других служащих, которые теперь составят самую большую часть армии безработных. Наши органы государственного регулирования, относящиеся к исполнительной ветви власти, находятся в заложниках у тех отраслей промышленности, за регулирование которых они должны отвечать. Позиции наших профсоюзов непрерывно слабеют. У нас нет крупной программы необходимых государственных расходов, чтобы компенсировать недостаточный потребительский спрос. Мы отказываемся от поддержки научных исследований. Неравенство доходов у нас растет. И так далее.

Даже столкнувшись с неизбежностью поиска компромисса, президент Обама мог объявить по-настоящему либеральную экономическую программу, а когда ее разгромил или ослабил бы конгресс, он мог обратиться к нации в 2010 и 2012 гг., как Гарри Трумэн сделал в 1948 г., чтобы призвать конгресс принять свою программу. Не сделав всего этого, Обама теперь наблюдает повсеместную апатию среди своих бывших сторонников, и это не удивительно.

Что касается международных дел, то здесь трудно кому-либо, кроме администрации, говорить о том, что и как нужно делать, но, по крайней мере, можно судить о реальных успехах администрации Обамы. Они неутешительны. Иран под управлением жестоких теократов шаг за шагом продвигается к созданию ядерного оружия. Наше влияние в Ираке настолько ничтожно, что Иран умудряется поставлять оружие для армии Асада в Сирию самолетами, пролетающими над территорией Ирака. Мы впустую угробили жизни солдат и ресурсы в Афганистане, который знаменит своим несгибаемым народом. Никакого прогресса не достигнуто в сфере снижения международных норм на выброс парниковых газов. Кажется, что мы отказались от идеи резкого сокращения российского и американского ядерных арсеналов, подвергая таким образом всю человеческую цивилизацию пусть небольшой, но все же реальной опасности, которая сопровождает нас уже многие годы.

Я уверен, что с внутренними делами администрация Ромни справилась бы намного хуже, чем администрация Обамы, — не только с экономикой, но еще и с миграцией, правами женщин, судебными назначениями, контролем над вооружениями, и я не уверен, что с проблемами на Ближнем Востоке Ромни справился бы лучше. Поэтому, если бы я жил в одном из «колеблющихся» штатов[119], например в Огайо или Флориде, я бы, без сомнения, сдержал свое недовольство и проголосовал за Обаму. В любом случае я бы не позволил своему разочарованию помешать мне проголосовать за действительно либеральных кандидатов в конгресс, таких как Элизабет Уоррен.

Но так случилось, что я живу в республиканском штате, в котором, благодаря прекрасной работе коллегии выборщиков, мой голос никак не повлияет на результат президентских выборов. Поэтому я не стану отказывать себе в удовольствии высказать свое разочарование Бараком Обамой и проголосую за всех кандидатов от демократической партии, но не буду голосовать ни за одного из кандидатов в президенты.

18. Льготы нужно сохранить

23 ноября 2012 г. я прочитал в The New York Times статью под заголовком «В поисках способа поднять налоги без изменения налоговой ставки». В ней описывались попытки некоторых членов конгресса предотвратить бюджетный кризис, не поднимая налоговую ставку, за счет отмены различных льгот для подоходных налогов. Эти новости обеспокоили меня, поскольку сигнализировали об угрозе тому, что я считаю одним из главных достоинств американского общества. Разрешая льготы для благотворительных взносов, а также местных налогов и налогов штата, федеральные власти использовали свою налоговую власть и оказывали существенную поддержку культурной жизни, не прибегая к вмешательству тяжелой руки центрального управления. Раздающиеся в конгрессе призывы к отмене этих налоговых льгот я считаю особенно ужасными, поскольку они оставляют без внимания самую большую лазейку из всех, а именно льготный режим налогообложения инвестиционных доходов. Конечно, в этом вопросе я имею личную заинтересованность как ученый, профессор и постоянный посетитель театральных постановок и концертов, но я надеюсь, что мою озабоченность разделят и многие другие американцы — от прихожан до орнитологов-любителей. Чтобы защитить все эти прекрасные начинания, я сделал то немногое, что могу, — отправил в местную газету города Остин American-Statesman статью, текст которой приведен в этой главе. Статья была опубликована в колонке редактора 20 декабря 2012 г. Поскольку отмену льгот иногда специально преподносят как способ упрощения подготовки личной налоговой декларации, по моей просьбе статью сопроводили краткой биографической справкой, в которой упоминалось, что я сам заполняю свою налоговую декларацию.

Пользуясь паникой, вызванной приближающимся бюджетным кризисом, консерваторы предложили повысить налоговые поступления, не поднимая ставки налога на имущество, за счет отмены или ограничения налоговых льгот, например для благотворительных пожертвований и налогов штата. Это лицемерие: отмена подобных льгот не сможет обеспечить доходы госбюджета, сопоставимые с теми, которые можно было бы получить, восстановив повышенные налоговые ставки на большие доходы, поскольку иначе члены конгресса от Республиканской партии не предлагали бы подобного. Помимо арифметики, есть и другие серьезные причины сохранить некоторые льготы.

Отмена или ограничение льгот для благотворительных пожертвований поставит под угрозу ценную отличительную черту американской жизни — независимость наших институтов. Приведу пример, который вызывает у меня, университетского профессора, особый интерес. Многие наши ведущие университеты была основаны и по большей части существуют за счет частных благотворительных взносов. Даже крупные государственные университетские системы, например в Калифорнии и Техасе, очень сильно зависят от частных пожертвований, и они потеряют свой текущий статус без конкуренции за преподавателей и студентов со стороны частных университетов.

Все эти университеты, частные и государственные, играют важную роль в экономике, делают ее инновационной, обеспечивают квалифицированными кадрами и, кроме того, являются объектом зависти со стороны других стран. Точно так же наши музеи, симфонические оркестры, больницы и астрономические обсерватории получают огромную поддержку за счет частных пожертвований, а наши церкви полностью от нее зависят.

До сих пор большая помощь для таких пожертвований косвенно поступала от правительства США, преимущественно благодаря наличию неограниченных льгот для благотворительных взносов при уплате федеральных налогов. Таким образом, мы в США разработали удачную схему государственной поддержки образовательных, художественных, медицинских, научных и религиозных организаций, которая работает без вмешательства тяжелой руки государственного управления. Эту схему нужно холить и лелеять, особенно консерваторам. Но сейчас мы рискуем потерять ее, опрометчиво бросаясь отменять льготы.

Можно поспорить, что налоговые соображения не играют важной роли в мотивации благотворителей. Но такой аргумент странно слышать от экономических консерваторов, которые заявляют, что только огромные денежные доходы могут питать инвестиции или инновации.

Еще одна льгота, которую следует сохранить, это льгота для подоходных налогов штата (или для налога с продаж в некоторых штатах). Из-за конкуренции за частные инвестиции наши штаты вынуждены понижать налоговые ставки, зачастую жертвуя важными государственными услугами (в том числе высшим образованием). Возможность вычета налогов штата из наших федеральных налогов поможет повысить привлекательность налогов штата, что в результате привлечет федеральные деньги, не подвергая штаты федеральному контролю.

Нам необходимо повысить налоговые поступления, чтобы улучшить качество образования, здравоохранения, инфраструктуры, фундаментальных исследований и много чего еще. Вместо отмены льгот нам следует восстановить повышенные налоговые ставки на большие доходы. Кроме того, существуют налоговые льготы для корпораций, которые следует отменить, например особый режим налогообложения в нефтяной отрасли. Одна из льгот для частных налогоплательщиков, которую следует убрать, — это особый режим налогообложения инвестиционных доходов. Она нарушает баланс между потреблением и инвестициями, баланс, который должен устанавливаться (по крайней мере, если следовать экономической философии консерваторов) силами свободного рынка.

Повышение налогов на сверхдоходы и на инвестиционные доходы критикуется консерваторами как атака на тех, кто «создает рабочие места». Однако в текущем состоянии нашей экономики именно потребители являются настоящими работодателями. Корпорации утопают в деньгах и могут занимать у банков под низкий процент. Если они не нанимают больше сотрудников, то только потому, что у потребителей не хватает денег, чтобы приобретать товары, которые можно было бы произвести.

Отмена льгот кажется привлекательной идеей, но не все льготы следует отменять, и даже отмена тех льгот, которые следует убрать, не сможет заменить восстановление справедливой и прогрессивной системы налогообложения.

19. Критика пилотируемых космических полетов

В 2013 г. журнал Space Policy отмечал свой 30-летний юбилей, и редакция решила сделать выпуск, в котором будут представлены разные точки зрения на ценность пилотируемых космических полетов. Я выступал с критикой государственных расходов на пилотируемые космические полеты в нескольких публикациях (в том числе в главе 15 этой книги), именно поэтому, я полагаю, мне предложили написать статью для этого номера Space Policy. Я не хотел повторяться, однако выпускающий редактор прислал мне статью Роберта Роветто, чтобы показать, какого типа текст они хотели бы опубликовать. В статье Роветто излагались все обычные аргументы в пользу пилотируемых полетов, поэтому мне открывалась возможность объяснить, почему я не согласен с этими аргументами, и при этом не выглядеть так, будто я бьюсь с ветряными мельницами, которые сам же и придумал. Моя статья была опубликована в ноябрьском номере журнала.

Роберт Роветто проделал отличную работу и собрал некоторые аргументы, которые обычно приводятся в пользу программы пилотируемой космонавтики. Я перечислю их один за другим и объясню, почему считаю эти аргументы неубедительными.

1. Наука

Утверждается, что «научные открытия, расширяющие границы человеческих знаний, являются одновременно предметом и результатом программы пилотируемых космических исследований». Обсерватории космического базирования невероятно обогатили наши знания о Вселенной, это правда. С помощью радиотелескопов COBE, WMAP и Planck были проанализированы малые флуктуации реликтового излучения, что позволило получить подробную информацию о физических процессах в первые 380 000 лет после Большого взрыва. Эти флуктуации были семенами, из которых выросли галактики современной Вселенной. Благодаря наблюдениям, выполненным с помощью космического телескопа Hubble совместно с наземными обсерваториями, было установлено, что расширение Вселенной ускоряется, предположительно из-за темной энергии. На других космических обсерваториях были проведены исторические исследования источников рентгеновского излучения, гамма-лучей и заряженных частиц, а телескоп «Кеплер» позволил найти тысячи планет в удаленных звездных системах.

Это великолепная работа, но вся она, за единственным исключением, была выполнена без привлечения астронавтов. Исключением стал пилотируемый полет с целью ремонта телескопа Hubble. Маловероятно, что подобная ремонтная миссия будет снаряжена снова. Новые телескопы, такие как WMAP и Planck, расположены в точке L2, удаленной от Земли на миллионы километров, пока еще недоступной для людей, и ремонтные полеты куда, вероятно, никогда не станут рентабельными. Проектируемый космический телескоп имени Джеймса Уэбба также будет размещен в точке L2.

Так какую же пользу науке приносит пилотируемая программа космических исследований? Роветто может указать только на изучение эффектов микрогравитации. Эти исследования часто приводят в оправдание огромной стоимости МКС, однако я не слышал ни об одном значимом для науки открытии, которое было бы сделано на их основе. В любом случае, если исследования микрогравитации имели бы хоть какое-то значение, их можно было выполнить гораздо дешевле и, возможно, качественнее на беспилотных спутниках.

Единственным исключением, когда для исследования микрогравитации требуется участие человека, является исследование влияния микрогравитации на людей. Насколько я знаю, эти исследования имеют смысл только применительно к программе пилотируемых космических полетов. Но это основание исчезает, если у пилотируемых полетов нет других разумных целей.

2. Международное сотрудничество

Утверждается, что «космические исследования способствуют кооперации в международном масштабе». Пилотируемые космические полеты, без сомнений, сопровождаются высоким уровнем международного сотрудничества, что не может не радовать. Однако то же самое можно сказать и о многих других научных и технологических программах. Первая европейская попытка объединить усилия привела к созданию лаборатории CERN рядом с Женевой. Сегодня лабораторией управляют представители 20 европейских стран при активном участии ученых-физиков из многих других стран, особенно из США. Огромные телескопы в Чили, на Гавайских и Канарских островах по большей части построены и эксплуатируются международным консорциумом. Можно привести множество других примеров. Характерной особенностью программ пилотируемых космических полетов является не то, что они открывают поле для международного сотрудничества, а то, что это сотрудничество ведется ради бесполезной цели.

3. Исследование пространства

Утверждается, что «стоит отдельно отметить важное и позитивное значение покорения вершин или погружения в неизвестные глубины (или исследования пространства в целом) просто потому, что мы можем, просто потому, что нам это доступно». Некоторые люди предпринимают героические усилия, чтобы покорять горные вершины, но они, как правило, не ждут, что их экспедиции будут спонсироваться государством, во всяком случае не в масштабах многих миллиардов долларов. В обозримом будущем только очень малая доля людей сможет попасть в космос (даже не все участники программ подготовки астронавтов добираются до орбиты), так почему общество должно оплачивать их страсть? Если же речь идет о страсти к новым знаниям, больше пользы обществу принесут автоматические аппараты, такие как марсоходы Spirit и Opportunity, или астрономические фотографии вроде тех, что были получены с телескопа Hubble.

4. Вдохновение

Утверждается, что пилотируемые космические полеты «служат источником любознательности» и что «отказаться от пилотируемых полетов — вдохновляющего источника таких фантазий — значит лишить нынешнее и будущие поколения определенного потенциала величия». Будучи известным ученым, я общался со многими молодыми физиками, только начинающими свою карьеру, но никогда не встречал человека, который увлекся бы физикой только потому, что его восхищают космические полеты. Большинство вдохновлялось книгами о настоящей науке. И хотя я не могу доказать этого, но подозреваю, что то же самое относится к большей части ученых. Пилотируемые космические полеты — это зрелищный спорт, который может восхищать зрителей, но они не могут служить источником вдохновения, которое ведет к чему-то серьезному.

5. Побочные технологии

Утверждается, что «технологический прогресс и его побочные результаты, например создание искусственных человеческих органов и другие варианты применения космических технологий для земных нужд, — это, возможно, самая конкретная польза программ космических полетов». Любой крупный технический проект, скорее всего, приведет к появлению какой-нибудь новой полезной технологии. Такие примеры мы видели в физике элементарных частиц: Всемирная паутина развивалась в CERN, чтобы физики-экспериментаторы могли обмениваться огромными объемами данных, а синхротронное излучение, появившееся как нежелательный побочный продукт работы ускорителей частиц, теперь широко применяется в радиационном материаловедении. Однако если бы я хотел выбрать технологический проект — самый неэффективный и нерентабельный в части создания новых полезных технологий, — то выбрал бы программу пилотируемых космических полетов. Сложнейшая техническая задача пилотируемых полетов состоит в сохранении жизнеспособности человека в космосе — задача, бесполезная в условиях Земли. Для сравнения: беспилотное исследование космоса ставит серьезные задачи в области робототехники и программирования, решения которых имеют очевидные земные приложения.

6. Спасение человечества

Утверждается, что «самое релевантное обоснование пилотируемых космических полетов в долгосрочной перспективе — это выживание человека как биологического вида». Я согласен с этим, но только применительно к весьма отдаленному будущему. Для того чтобы дать человечеству шанс выжить в глобальной катастрофе, скажем при падении огромного метеорита или в условиях тотальной ядерной войны, внеземная колония должна существовать на постоянном самообеспечении. В колонии должны быть промышленные ресурсы для воспроизводства выработавшего свой ресурс оборудования — солнечных батарей, кислородных генераторов, систем водоснабжения, гидропоники и т. д. Сейчас у нас нет возможности основать такую колонию на самообеспечении даже в Антарктиде, где условия окружающей среды намного благоприятнее, чем на Марсе или на астероидах. Вот настоящий вызов: не доставить людей на Марс, а освободить их от необходимости получать ресурсы с Земли. Может быть, нам стоит начать с Антарктиды.

20. Скептики и ученые

16 июня 2017 г. я оказался одним из четырех ученых, получивших почетные докторские степени на ежегодном совете Рокфеллеровского университета. Всех четверых попросили сказать несколько слов, «по пять минут каждому», после получения дипломов. Я решил, что это удобный случай для того, чтобы выступить против широко распространенного скептицизма в адрес науки, который, я считаю, повлиял на политику действующей администрации США. Ниже приводится текст моего выступления, ранее нигде не публиковавшийся.

Посещение Рокфеллеровского университета и знакомство с исследованиями ваших аспирантов напомнили мне о поразительном прогрессе науки в наше время. Тем не менее сейчас, в 2017 г… отношение к науке в обществе хуже, чем я когда-либо видел. В прошлом месяце президент объявил бюджет на 2018 финансовый год, в котором федеральные расходы на фундаментальные и прикладные исследования сокращены на 17 % и теперь достигли наименьшей за последние 50 лет доли от ВВП. Остается только надеяться, что конгресс сможет восстановить некоторые статьи финансирования; даже те председатели комитетов при конгрессе, которые не жалуют налоги, могут защитить организации в рамках своих полномочий.

Но проблема состоит не только в финансировании науки. Управление по науке и технике[120] обезглавлено: там нет директора. Хуже того, сегодня наблюдается беспрецедентный уровень недоверия к результатам научных исследований. Президент во всеуслышание заявил о проблеме изменения климата: «Во многом это ложь. Это мистификация». А назначенный им глава Агентства по охране окружающей среды отверг тот факт, что основной причиной глобального потепления является деятельность человека, и занялся тем, что заменил половину ученых в своем научном совете на руководителей промышленных предприятий. За пределами Вашингтона, в штатах Индиана, Айова, Айдахо, Оклахома и Флорида, местные законодатели и многие школьные советы продавливают преподавание креационизма в государственных школах как благовидной альтернативы современной теории эволюции. (Я рад сообщить, что в Техасе подобные попытки не увенчались успехом.)

Конечно, не всегда скепсис бывает честным и бескорыстным. Многие скептики, отрицающие изменение климата, руководствуются экономическими или политическими интересами, а люди, не доверяющие теории эволюции, преследуют религиозные цели. Однако я думаю, что этот скепсис, кроме прочего, подпитывается ошибочным, хоть и невинным представлением о природе авторитета науки. Люди представляют, что существует научный истеблишмент, который подавляет инакомыслие и меняет свои догмы только после многих лет борьбы с доказательствами противного.

Действительно, вы можете обнаружить, что подобный взгляд поддерживается некоторыми философами и историками науки, в том числе Томасом Куном с его скептическим отношением к научному прогрессу, и теми историками, которые предпочитают игнорировать современное знание при описании науки прошлого, как будто с тех пор не было никакого прогресса в научной картине мира, кроме формальных изменений. Однако я должен признать, что не наблюдаю сильного влияния этого явления на конгресс или на действующую администрацию.

Возможно, сильнее впечатляют популярные истории из области науки, которые показывают, как застывшему научному истеблишменту противостоят смелые скептики. Я хочу привести небольшой пример. В первые годы XX в. выдающийся физик, ставший философом, — Эрнст Мах разошелся во мнениях с международным физическим сообществом. Он отвергал теорию, которая в целом принималась сообществом, и заявлял, что она не доказана и имеет признаки религиозного вероучения. Что ж, наслушавшись популярных историй, вы можете подумать, что бравый философ в итоге должен был доказать свою правоту. И вы ошибетесь. Учение, которое критиковал Мах, было атомной теорией, согласно которой вся обычная материя состоит из атомов, и, конечно, научный истеблишмент оказался прав.

Пожалуйста, поймите, я не утверждаю, будто истеблишмент никогда не ошибается. В области моих собственных научных интересов принятое многими физиками вплоть до 1932 г. представление о строении атомного ядра было ошибочным; неверным было и представление об идеальной симметрии законов природы, существовавшее до 1956 г.; и до 1998 г. физики заблуждались насчет замедления расширения Вселенной. Но все эти ошибочные идеи подвергались сомнениям, а не воспринимались как догматы, и, когда появились доказательства их несостоятельности, профессиональные ученые смогли быстро исправить общепринятые представления с помощью обычных научных методов, без вмешательства скептиков-аутсайдеров.

Скептицизм во многом присущ и самому научному сообществу. Научные теории подвергаются непрерывным строгим проверкам хотя бы потому, что для любого ученого нет ничего лучше, чем показать ошибочность какой-нибудь общепринятой теории. Так было не всегда, особенно в истории медицины, но сейчас такое отношение сохраняется уже долгое время.

В итоге некоторые теории становятся достоверным знанием. Утверждать, что студентам нужно преподавать креационизм, чтобы они могли самостоятельно решить, аргументы какой из сторон в дискуссии об эволюции верны, — это то же самое, что утверждать, что им нужно давать теорию плоской Земли, чтобы они сами решили, кто прав в споре о форме Земли. Больше пользы студентам принесет обсуждение научных вопросов, в которых есть реальные противоречия (например, когда на территории Северной Америки появились первые люди или что считать происхождением жизни?). Но преподавать теорию эволюции и естественного отбора так, будто это нечто спорное, — значит просто лгать нашим студентам.

Точно так же говорить об изменении климата как о спорной проблеме — значит лгать обществу. Нет никаких сомнений в том, что на Земле становится теплее, что повышение содержания углекислого газа в атмосфере приводит к глобальному потеплению, и что экономическая деятельность человека повышает содержание углекислого газа в атмосфере. Земля слишком сложная система, чтобы можно было привести строгие доказательства тому, что ничем не ограниченная экономическая деятельность в будущем приведет к катастрофическому потеплению, но у ученых — экспертов по этому вопросу сложилось единодушное мнение. В целом глупо спорить с научной картиной мира, а в этом конкретном случае, когда на кону целая планета, подобный спор — это безумие.

IV. Личные вопросы

21. Меняй курс

В сентябре 2009 г. редактор публицистической рубрики в The New York Times предложил мне вместе с еще несколькими университетскими профессорами дать совет первокурсникам, только поступившим в колледж. Я включил режим Полония[121] и подготовил серьезный совет, который должен был помочь студентам в их первый год обучения в колледже. Результат вышел ужасным. Я понял, что не знаю, как давать советы молодым людям, которые сильно отличаются друг от друга и еще сильнее от меня. Кроме того, совет вышел скучным. Моя мудрая жена предложила, чтобы я вместо раздачи советов просто вспомнил, что я чувствовал, когда поступал в колледж, уж в этой-то теме я бесспорный эксперт. В The Times результат оценили и 6 сентября 2009 г. опубликовали мой текст в рубрике публицистики вместе с серьезными рекомендациями первокурсникам от Гарольда Блума, Джеймса Макгрегора Бернса, Стэнли Фиша, Нэнси Хопкинс, Гарри Уиллса[122] и других. Редакторы озаглавили мое короткое эссе «Меняй курс», возможно чтобы создать впечатление, что я все-таки даю совет.

Главное, что должен знать первокурсник: колледж — это не то, что вы думаете. Летом 1950 г. до поступления в Корнелл я работал посыльным в гостинице, расположенной в горах Адирондак. Однажды я получил почтой каталог учебных курсов Корнеллского университета. В перерывах между переноской чемоданов постояльцев я читал этот каталог, как ужасно голодный человек читает меню хорошего ресторана. Философские и гуманитарные факультеты предлагали курсы, которые, я был уверен, сделают меня мудрым. На физическом факультете лекции читали знаменитые физики. На математическом факультете предлагался курс по теории Гильбертовых пространств. Кто знал, что существуют разные пространства?

Все вышло не так, как я ожидал. У меня доставало знаний, чтобы участвовать в захватывающем физическом исследовании, которое проводилось в Корнелле. Из прослушанного курса немецкого языка я вынес только то, что у меня нет способностей к иностранным языкам. Курсы по философии оставили меня в смятении — идеи Платона и Декарта, которые казались мне абсурдными, оказали такое влияние. Я не стал мудрым.

Тем не менее я окончил университет и унес с собой воспоминания о нескольких вдохновляющих профессорах, о прогулках с друзьями под прекрасными старыми вязами и о часах, проведенных за чтением в музыкальной комнате студенческого союза. Я обнаружил, что люблю камерную музыку, историю и Шекспира. Я женился на своей возлюбленной из колледжа. И я узнал о Гильбертовых пространствах.

22. О научно-популярной литературе

Моя книга «Объясняя мир» вышла в Англии в начале 2015 г. В рекламных целях издатель убедил редакцию газеты The Guardian в Лондоне обратиться ко мне с просьбой подготовить в воскресный раздел рецензий для широкого круга читателей короткую статью о проблемах пишущих о науке авторов. Статья была опубликована в номере The Guardian от 3 апреля 2015 г. Я поработал над ней и взял за основу для своего выступления на Летнем симпозиуме писательского центра Хантерского колледжа на Манхэттене в 2017 г. Ниже приведен оригинальный текст статьи с небольшими изменениями, внесенными для выступления. Также я удалил из текста некоторые несогласованные правки, сделанные редакторами The Guardian.

Если бы вы могли спросить Аристотеля, что он думает об идее писать о физике для широкого круга читателей, он бы не понял, что вы имеете в виду. Все его собственные сочинения о физике и астрономии, а также о политике и эстетике были доступны любому грамотному жителю Греции того времени[123]. Это не столько свидетельствует о писательском таланте Аристотеля или о совершенстве греческого образования, сколько о примитивном состоянии эллинистической науки, в которой фактически никак не использовалась математика. Именно математика в первую очередь является преградой для общения между профессиональными учеными-физиками и образованной публикой.

Развитие чистой математики, особенно геометрии, уже во времена Аристотеля шло довольно активно, но ее применение в научных работах Платона и пифагорейцев было незрелым, да и сам Аристотель проявлял мало интереса к использованию математики в науке. Наблюдая за ночным небом на разных широтах, Аристотель интуитивно пришел к выводу о сферической форме Земли, но не стал утруждать себя расчетом радиуса Земли на основе этих наблюдений (хотя это можно было бы сделать).

Серьезные преимущества от использования математики физика начала получать только после смерти Аристотеля в 332 г. до н. э., когда активный центр развития натурфилософии переместился из Афин в Александрию. Однако обязательное использование математики эллинистическими физиками и астрономами стало создавать помехи общению между учеными и обществом. Просматривая сохранившиеся математические работы Аристарха, Архимеда и Птолемея, я испытывал приступы симпатии к грекам и говорящим на греческом римлянам, которые читали эти книги, стараясь быть в курсе последних открытий о природе света, о течении жидкостей или движении планет.

Вскоре авторы, которых назвали «комментаторами», попытались устранить это препятствие. По иронии судьбы как писатели они оказались настолько популярнее, чем как профессиональные ученые, что во многих случаях копировались и переписывались именно их толкования научных исследований, а не отчеты об исследованиях как таковых. Таким образом, их книги получили возможность пережить крах Древнего мира. К примеру, мы знаем об измерении длины окружности Земли, выполненном Эратосфеном около 200 г. до н. э., не из его собственных работ, которые утеряны, а из комментариев Клеомеда, написанных на несколько столетий позже. Представьте, если бы в постапокалиптическом будущем школьники изучали работы Ньютона и Эйнштейна по сохранившимся статьям из журналов Scientific American или New Scientist.

После распространения и укрепления христианства и падения Римской империи на Западе профессиональная традиция математической физики и астрономии постепенно была утрачена, однако она сохранилась в исламских странах. В конце Средневековья традиция возродилась и получила новую жизнь в Европе, достигнув высшей точки развития двумя веками позже в работах Кеплера, Гюйгенса и, прежде всего, Ньютона. Ньютоновские «Начала» до сих остаются самой важной книгой по физике из всех написанных, однако она отталкивающе сложна для обычного читателя. Сам Ньютон даже не пытался донести свои теории движения и гравитации до широкого круга. Работа Ньютона была настолько важной, что Вольтер взял на себя труд объяснить ее французской публике, которая завязла в трясине ошибок Декарта. Вольтер использовал перевод «Начал» на французский язык, выполненный маркизой Дю Шатле. В 2006 г. Иэн Макьюэн из The Guardian совершенно справедливо внес вольтеровские «Философские письма» в свой канон текстов о науке.

После Ньютона физика все более обрастала математикой, и это все сильнее усложняло коммуникацию с обществом. В XX в. Георгий Гамов и сэр Джеймс Джинс, наряду с другими выдающимися физиками, взяли на себя задачу объяснить поразительные новые результаты теории относительности и квантовой механики и с переменным успехом с ней справлялись. Я всерьез заинтересовался физикой, еще будучи подростком, и книги Гамова и Джинса меня вдохновляли. Не все в них было понятно. Скорее наоборот. Эти книги формировали яркую картину мира, подчиняющегося парадоксальным фундаментальным законам, и понять эти законы (как объяснял Галилей в своем знаменитом сочинении «Пробирных дел мастер»[124]) сможет только тот, кто владеет языком, на котором они написаны, — языком математики. Я помню, что в одной из их книг (кажется, это была книга Джинса «Загадочная Вселенная») я наткнулся на дискуссию о принципе неопределенности Гейзенберга, который описывается уравнением qp − pq = ih / 2π. Я не знал, что означают символы в этом уравнении, но знал, что, если q и p — это числа любого типа, то произведение q на p должно быть равно произведению p на q. И как тогда разность qp минус pq может отличаться от нуля? Мне было очевидно, что я должен еще очень много узнать, прежде чем смогу разобраться в этих сложных материях.

Так что вовсе не обязательно, чтобы в тексте о физике неподготовленному читателю было все понятно. Уважать читателей — вот что важно. Не вводить их в заблуждение, что, не будь они такими бестолковыми, им все было бы ясно, или что непонятность — это признак глубины ума. В предисловии к книге «Первые три минуты» я объяснял, что «…когда юрист пишет для широкой публики, он предполагает, что она незнакома, например, с французским законодательством или с законом против пожизненной ренты, но из-за этого он не думает о публике слишком плохо и в то же время не снисходит до ее уровня… Читатель представляется мне в облике ловкого старого адвоката, который не умеет говорить на моем языке, но который, по крайней мере, надеется услышать несколько убедительных аргументов, прежде чем составит собственное мнение».

В книге «Первые три минуты» я впервые применил прием двухуровневого текста. Там есть самодостаточный основной текст, в котором нет формул (ну, почти нет). И есть техническое приложение, которое необязательно читать для понимания основного текста. В приложении я пытаюсь объяснить хотя бы те математические тонкости, которые можно изложить на уровне средней школы. Тот же прием я использовал позже при написании книги «Открытие субатомных частиц», а также в своей последней книге «Объясняя мир». Эти приложения адресованы отчасти мне самому — там содержится то, что я захотел бы прочитать, если бы был подростком.

Одна из причин, привлекающих ученых вроде меня к написанию научно-популярных текстов, — это возможность вовлечь в дискуссию. Полемический стиль научно-популярных текстов зародился еще во времена золотого века исламской науки. Тогда в центре внимания были ценность науки и ее отношение к исламу. Один из самых талантливых мусульманских астрономов, перс аль-Бируни, был недоволен антинаучными настроениями среди исламских экстремистов, а ученый и врач ар-Рази, которым восхищался аль-Бируни, утверждал, что ученые приносят человечеству больше пользы, чем религиозные лидеры, чудеса которых не более чем хитрые трюки. В ответ знаменитый врач Авиценна сказал, что ар-Рази следует рассуждать о тех вещах, в которых он разбирается, — о фурункулах и экскрементах.

Во время научной революции полемика появилась и в научно-популярных текстах европейских ученых. Галилей не только не подчинился приказам Римской инквизиции, когда в своем «Диалоге» доказывал, что неподвижно именно Солнце, а не Земля, — он написал «Диалог» не на латинском языке ученых, а на итальянском, и использовал небольшое количество математических выкладок, чтобы его сочинение смог прочитать и понять любой грамотный итальянец. Его соотечественники сумели это оценить; к тому моменту, когда Церковь приказала запретить книгу, весь ее тираж был распродан.

Дарвиновское «Происхождение видов» является практически единственным примером отчета о профессиональном научном исследовании высочайшего уровня, в котором одновременно, по крайней мере неявно, открывается полемика (как сказал Дарвин, «один большой аргумент») о важной для общества проблеме — основах религиозной веры. Дарвин надолго разрушил почти общепринятую гипотезу о необходимости Божественного вмешательства, без которого невозможно объяснить способности растений и животных. Книга Дарвина вовлекает в полемику отчасти потому, что она прекрасно читается. (Конечно, Дарвин как писатель имел преимущество в том, что биология в его время была недостаточно развита для использования математического аппарата, поэтому ему не нужно было решать, как объяснить математические идеи публике.)

Полемика относительно науки и религии продолжается и поныне, и особенно это заметно в книгах Ричарда Докинза (включенных Макьюэном в свой канон) и Сэма Харриса, с одной стороны, и Джона Полкинхорна и Фрэнсиса Коллинза — с другой. Я и сам высказывался по этой теме, главным образом в нескольких статьях в The New York Review of Books, но я никогда не встречал человека, чья религиозная вера пошатнулась бы из-за приведенных мной контраргументов. Нет, я не Дарвин.

Несколько лет назад я начал много писать о другой проблеме — о государственной поддержке науки. В свое время администрация Рейгана предложила построить очень большой ускоритель элементарных частиц, Сверхпроводящий суперколлайдер (SSC). Работа началась, было потрачено около $1 млрд, но вопрос о продолжении финансирования проекта оставался открытым. Меня и других физиков попросили объяснить в комитетах при конгрессе, в редакционных советах и на публичных собраниях, почему SSC был хорошей идеей. Мне настолько часто приходилось выступать в защиту редукционистских целей физики высоких энергий и рассказывать о пользе поиска законов, дающих начало всем цепочкам объяснений, что я написал об этом книгу «Мечты об окончательной теории». Увы, в 1993 г. финансирование SSC было прекращено, но, хотя я и сильно огорчен тем, что мы, физики, не смогли убедить конгресс в его необходимости, я все же горжусь, что написанная мной книга попала в канон Макьюэна.

Мое участие в полемике продолжилось в новой книге «Объясняя мир». В ней я попытался представить объективный взгляд на историю очень сложных взаимоотношений религии и науки, однако читатель, наверное, сможет угадать, какая позиция мне близка. Кроме прочего, на страницах книги я спорю с теми историками науки, которые пытаются судить о научных работах каждой эпохи, следуя не современным стандартам, а нормам исследуемого исторического периода, как будто наука не накапливает знания и не прогрессирует и как будто историю науки можно писать так же, как историю моды. Можно признавать огромную энергию и интеллект Аристотеля и при этом видеть, как некоторые из его представлений о надлежащих способах познания мира стали преградой для прогресса. Я испытываю огромное уважение к профессиональным историкам науки, благодаря которым я так много узнал, но в своей книге я представил более уравновешенную, по сравнению с работами отдельных историков, точку зрения, причем не только на фигуру Аристотеля, но также и на других кумиров, среди которых Демокрит, Платон, Авиценна, Роберт Большая Голова, Фрэнсис Бэкон и Декарт.

В последние десятилетия открылся еще один канал доставки научных идей до широкой общественности. Это литература. И я говорю не о научной фантастике, которая еще со времен Жюля Верна описывала последствия использования научных знаний для технологического развития. В последнее время некоторые авторы заинтересовались влиянием на людей не прикладных технологий, а научной работы и научных идей. Прежде всего, я имею в виду некоторые пьесы Тома Стоппарда, романы Иэна Макьюэна и поэзию, в частности новую поэму Клайва Джеймса «Горизонт событий». Эти авторы много сделали для того, чтобы наука стала частью современной культуры, о чем всегда мечтали ученые.

Я считаю, что это действительно единая цель, ради которой физики, например Шон Кэрролл, Дэвид Дойч, Брайан Грин, Стивен Хокинг, Лоуренс Краусс, Алан Лайтман и Лиза Рэндалл, и биологи, такие как Ричард Докинз, Стивен Джей Гулд и Эд Уилсон, отвлекаются от своих исследований, чтобы писать книги для массового читателя. Есть, конечно, и другие цели. Кажется, это Эдвард Морган Форстер сказал, что он пишет, дабы заслужить уважение тех, кого сам уважает, и заработать себе на хлеб. Я не скажу ни слова против хлеба, однако первая цель Форстера имеет особое значение для теоретической физики. Наша работа настолько абстрактна и так сильно связана с беспристрастными математическими законами, не имеющими отношения к людским делам, что только сочинение книг для широкой публики дает ценную возможность на время покинуть башню из слоновой кости теоретических исследований и пообщаться с огромным внешним миром.

23. О признании ошибок

В течение нескольких лет после своего основания в 1824 г. Политехнический институт Ренселлера в городе Троя, штат Нью-Йорк, был единственным американским гражданским инженерным университетом. Между прочим, выпускник именно этого института Теодор Джуда был тем, кто проложил оптимальный маршрут для западной части нашей первой трансконтинентальной железной дороги, а еще один выпускник, Вашингтон Реблинг, осуществлял надзор за строительством Бруклинского моста. Поэтому я был очень рад, когда в мае 2016 г. меня пригласили в этот институт на церемонию присвоения почетной степени доктора наук. Всех трех награжденных этой степенью участников попросили выступить с короткой речью перед выпускниками и их семьями. Текст моего краткого выступления, который ранее не публиковался, приведен в этой главе.

Считается, что в церемониальных речах, адресованных заканчивающим университет студентам, должны звучать мудрые слова, которые помогут выпускникам в дальнейшей жизни. Мой опыт физика-теоретика вряд ли сильно поможет подобрать такие слова. В своей работе мне приходилось иметь дело с экстремальными временны́ми интервалами, начиная от очень коротких, в течение которых частица, движущаяся со скоростью света, не успевает покинуть атомное ядро, до сопоставимых с возрастом Вселенной после Большого взрыва, 13,7 млрд лет. Что такой физик, как я, сможет сказать молодым юношам и девушкам, задумывающимся о своем ближайшем будущем?

Что же, одну вещь я скажу. Ученые, инженеры и архитекторы в своей работе часто получают поучительный, не всякому доступный опыт. Я имею в виду переживания, возникающие, когда вы обнаруживаете, что в чем-то ошиблись. И не просто заблуждаетесь, а окончательно и бесповоротно понимаете, что уже совершили ошибку.

Вот один пример. Когда я оканчивал университет, то узнал о гипотезе, выдвинутой двумя физиками, Ли Чжэндао и Янгом Чжэньнином, о том, что зеркальная симметрия[125] фундаментальных законов природы является всего лишь приближением. Тогда я думал, что эта гипотеза абсурдна. Ведь каждому известно, что, хоть мы и различаем право и лево, когда пишем или управляем автомобилем, в фундаментальных законах природы этого различия нет. Позже эксперименты показали, что частицы нейтрино, испускаемые радиоактивными материалами, всегда имеют левый спин и никогда — правый. И больше не нужно никаких дополнительных аргументов: после этого открытия сразу стало очевидно, даже мне, что я ошибался. Полагаю, архитекторы и инженеры могут столкнуться с такими же ситуациями, когда их расчеты неизбежно покажут, что какая-то блестящая идея не сработает или когда что-то развалится, как собор Святого Петра в Бове или мост Такома-Нэрроуз.

Ошибки могут быть чрезвычайно поучительными. Они избавляют от высокомерия и самонадеянности, открывают дорогу новым идеям. Веками наш мир страдал от политических и религиозных лидеров, которые вели себя так, будто были уверены в том, что они постигли истину и могли передать эту уверенность своим последователям. И все это продолжается и поныне, в чем можно убедиться, заглянув в любую газету. Поэтому в качестве напутствия выпускникам я хочу пожелать, чтобы вы, ради благополучия всего мира и ради вашего собственного благополучия, стремились признавать свои ошибки, которые неизбежно совершите на своем пути в большом мире, и даже немного гордились тем, что, будучи учеными, инженерами или архитекторами, вы способны понять, что были в чем-то не правы.

24. Ремесло науки и ремесло искусства

Этот публикуемый впервые очерк основан на тексте моего выступления на церемонии вручения премии имени Джеймса Джойса в Литературно-историческом обществе Университетского колледжа в Дублине, которая состоялась 10 февраля 2009 г. Здесь я выступаю с позиций культурного реакционера. В своей автобиографии Генри Адамс[126] определяет себя как человека XVIII в., обреченного прожить большую часть своей жизни в XIX в. с небольшой надеждой на XX в. Я могу про себя сказать то же самое, только, конечно, все даты будут сдвинуты на 100 лет вперед. Когда я рассказал Джеффу Дину из Harvard University Press, что ни один из прочитавших этот очерк не согласился с изложенными здесь мыслями, Джефф ответил, что может понять почему.

Очень приятно получить премию, учрежденную в честь писателя, которым я так восхищаюсь. Вдвойне приятно, что это дает мне смелость поговорить о творческом процессе в литературе и других искусствах с точки зрения физика, предъявляющего достаточно высокие требования к художественному творчеству. Нет, я не питаю иллюзий о том, что научные открытия как-то влияют на искусство. Научные открытия могут служить искусству источником вдохновения или метафорой, но и любые другие вещи тоже могут. Скорее, мне кажется, между методами работы теоретических физиков и людей искусства можно провести некоторые параллели, которые позволят глубже взглянуть на современные проблемы как науки, так и искусства.

На первый взгляд эта тема может показаться малообещающей. Обычно ученого представляют как человека, который надевает белый халат и идет в лабораторию, где он проводит эксперименты, раскрывающие объективные факты о природе. Ученый воспринимается как честный наблюдатель, творческое начало которого проявляется только при проектировании экспериментов и написании заявок на исследовательские гранты. Творческий подход к записи экспериментальных данных не одобряется.

В таком карикатурном образе ученого есть частицы правды. Некоторые сотрудники лабораторий действительно носят белые халаты. Однако работа физика-теоретика совершенно иная. Хорошо это или плохо, но наша повседневная работа больше похожа на работу поэтов, композиторов или художников, чем на труд ученых-экспериментаторов. Мы, теоретики, редко заходим в лаборатории. Наоборот, сидя за своими столами, мы вольны создавать любые теории, какие нам нравятся, с любым разнообразием частиц и сил, так же как поэты или композиторы вольны переносить на бумагу любые понравившиеся им слова или ноты или художники — понравившиеся краски на холст. Большая часть теорий, которые мы выдумываем, не работают, так же, я полагаю, как и большая часть произведений, создаваемых людьми искусства.

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.

В искусстве, как и в науке, вероятнее всего сработает то, что уже пользовалось успехом в прошлом. Мне кажется, крайне неправильно предполагать, что новаторство — это самая важная вещь в искусстве. В своих произведениях для струнного оркестра Бетховен адаптировал форму, которая была изобретена Гайдном на несколько десятков лет раньше, но произведения для струнных квартетов у Гайдна не лучше, чем у Бетховена. Никто не хочет, чтобы современная музыка была похожа на музыку Гайдна или Бетховена, однако будет большой ошибкой считать, что мы должны оценивать новую музыку по тому, насколько сильно или слабо она напоминает музыку прошлого.

Я помню, что некоторое время назад перед зданием банка на Конгресс-авеню в Остине появилась некая скульптура. Она была сделана из чугунных пластин, установленных под разными углами. Вероятно, из-за своего черного цвета и несколько грозного вида она получила название «Мистический ворон». Скульптура не понравилась никому из опрошенных мною друзей. Позже я случайно оказался на обеде с руководителем того самого банка, который спонсировал установку этой скульптуры. Я спросил его, нравится ли ему «Мистический ворон». Он ответил, что нет, он не понимает такое искусство, но считает, что для его банка важно поддерживать художественные инновации. В конце концов «Мистического ворона» убрали. Возможно, это было сделано для безопасности пешеходов, но я ни разу не слышал, чтобы кто-то о нем сожалел.

Никто не хочет сдерживать инновации, но поддерживать искусство только потому, что оно новаторское, просто глупо, особенно когда искусство может получить силу и ориентиры из своего прошлого. Я полагаю, мой друг банкир разделяет общее убеждение в том, что великое искусство никогда не ценилось по достоинству в свое время. Однако этому утверждению есть множество контрпримеров. Когда Дуччо закончил свою «Маэсту», граждане Сиены устроили праздник и принесли Дуччо на этот праздник на руках. Многие великие композиторы, среди которых Бетховен, Брамс, Верди, Вагнер и Пуччини, были невероятно популярны при жизни, а Шекспир неплохо зарабатывал на своих пьесах. Допускаю, что имеются также и примеры произведений искусства, которые вначале не были оценены по достоинству. В музыке, например, на память приходят поздние произведения Бетховена и «Весна священная»[127] — но общество быстро оценило и их. Несмотря на то что парижская публика гневно встретила премьеру «Весны священной», второе исполнение аудитория восприняла с энтузиазмом. Были слушатели, которые ненавидели Брамса или Вагнера, но в основном их обожали. Не могу представить, чтобы священники и принцы, финансировавшие великое искусство Ренессанса, платили бы, не понимая это искусство, только потому, что им казалось важным оказывать поддержку художественным инновациям.

Иногда, если крайне новаторское произведение искусства не понятно поначалу, стоит относится к нему благожелательно, пока смысл не станет ясен. У меня был подобный опыт. Помню, что, когда я учился в старших классах, я услышал по радио партиту Баха для скрипки соло, и это не произвело на меня впечатления, но я знал, что Бах считается великим композитором, поэтому продолжил слушать его музыку, и со временем она начала мне нравиться. Я пока не могу оценить произведения Штокхаузена или Мессиана, но исполнители, чей музыкальный вкус развит гораздо лучше моего, восхищаются ими, поэтому я готов предположить, что все дело во мне, а не в Штокхаузене или Мессиане. При этом я с большим скепсисом отношусь к достоинствам новаторских произведений, если чувствую, что ими восторгаются только из-за их новаторства. Зачастую нам нечего извлечь из тех произведений искусства, в которых потеряна какая-либо связь с прошлым.

Процитирую последнюю поэму Йейтса «В тени Бен-Балбена», в которой он предостерегает своих коллег:

Помни, скульптор, верь, поэт:

В модных школах правды нет.

Делай дело — и блюди

Божью истину в груди[128].

Даже поборник абстрактного экспрессионизма Клемент Гринберг заявлял, что, «если неизобразительное или абстрактное претендует на эстетическую обоснованность, оно должно быть не произвольным и случайным, а проистекать из подчиненности некоему неоспоримому ограничению или первоисточнику»[129]. Действительно, именно следование традиции зачастую открывает дорогу новаторству. Как говорится, без гармонии диссонанс невозможен.

Есть еще одно, менее очевидное, ограничение, которое накладывается на физические теории. Помимо описания результатов проведенных или будущих экспериментов, теории должны отвечать определенным внутренним ограничениям, гарантирующим невозможность получения абсурдных результатов даже для тех в принципе осуществимых экспериментов, которые никогда не будут выполнены из чисто практических соображений.

Например, хорошие теории не должны описывать эффекты, нарушающие причинно-следственную связь. Для реализации этого принципа необходимо иметь возможность установить такой порядок событий во времени, который не зависит от положения наблюдателя. С этим не было сложностей, пока физика базировалась на концепции времени, представленной в «Началах» Ньютона: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно»[130]. Но в СТО Эйнштейна, предложенной в 1905 г., течение времени зависит от движения наблюдателей. Согласно СТО, наблюдатели, движущиеся с разными скоростями, могут даже расходиться в восприятии порядка событий, из-за чего возникает опасность, что для одних наблюдателей причина будет предшествовать следствию, а для других следствие будет предшествовать причине. Однако, поскольку в рамках СТО движение особым образом воздействует на время, нарушение причинно-следственной связи из-за движения наблюдателей может случиться, только если события настолько близки во времени и разнесены в пространстве, что свет не успевает пройти расстояние, отделяющее одно событие от другого. Таким образом, принцип причинно-следственной связи можно сохранить, если добавить к положениям СТО дополнительное требование — скорость передачи любого сигнала не может превышать скорость света. Если временной интервал между двумя событиями настолько мал, а расстояние между ними настолько велико, что движение наблюдателей может повлиять на порядок их совершения, то при указанном условии ни один сигнал не сможет соединить эти два события, поэтому ни одно из них не может быть причиной для другого.

В 1920-е гг. появление квантовой механики сильно усложнило соблюдение принципа причинно-следственной связи. Если мы точно знаем, где возникла частица, тогда, согласно квантово-механическому принципу неопределенности, мы ничего не можем знать о скорости частицы. Поэтому, по крайней мере на очень короткое время, скорость частицы может превысить скорость света. Мы все еще можем избежать нарушения причинно-следственной связи, но только в том случае, если в теории допустимы хитроумные сокращения. Построить такие релятивистские квантовые теории, в которых происходят подобные сокращения, — задача нетривиальная. Среди прочего необходимо, чтобы каждому типу заряженных частиц, которые описываются такой теорией, соответствовал другой тип частиц с теми же массой и спином, но с противоположным по знаку зарядом, то есть для каждой частицы должна существовать своя античастица. В итоге ограничение, которое усложняет нашу работу, помимо этого указывает на важный факт о строении природы, а именно на существование антиматерии.

Есть и еще одно внутреннее ограничение, которому должна следовать любая квантово-механическая теория. Обычно квантовая механика позволяет нам рассчитать только вероятности получения различных результатов при заданных начальных условиях. Чтобы любая хорошая теория имела смысл, она должна удовлетворять условию, при котором результаты теоретического расчета вероятностей любых событий, которые могут произойти в заданных обстоятельствах, представляли собой конечные положительные числа, дающие в сумме 100 %, в том числе для недостижимых на практике начальных условий. Никакое событие не может иметь вероятность больше 100 % или меньше нуля. Однако построить квантово-механическую теорию, которая удовлетворяла бы этому требованию, не так-то просто. Если об этом не позаботиться, то рассчитанные вероятности могут обернуться отрицательными числами или даже устремиться к бесконечности. (Особенно затруднительно обеспечить выполнение этого условия в релятивистских квантовых теориях, поскольку различные ухищрения, которые можно было бы использовать для того, чтобы теория гарантированно давала конечные значения вероятностей, обычно также приводят к нарушению причинно-следственной связи.) Необходимость исключить такие абсурдные результаты (зачастую для процессов вроде рассеяния нейтрино на нейтрино, которые невозможно исследовать экспериментально) стала важным ключом к построению Стандартной модели элементарных частиц.

Внутренние ограничения существуют и в художественном творчестве. Очевиднее всего они проявляются в архитектуре, в которой по крайней мере должно выполняться требование о надежности проектируемых зданий. Разрушение сооружения, подобное обрушению собора Святого Петра в 1284 г., вполне подходящая аналогия получения бесконечного значения вероятности или нарушения причинно-следственной связи в физической теории. На протяжении тысячелетий архитекторы решали сложные задачи проектирования больших и надежных сооружений. Камни и кирпичи очень хорошо сопротивляются сжатию, например под собственным весом в вертикальной стене, но раствор, скрепляющий их, не может выдерживать большие нагрузки. Невозможно построить крышу или перекрытие большой площади, выкладывая горизонтальную стену из кирпичей или камней. Даже вертикальная каменная стена, скорее всего, развалится, если приложить к ней значительную боковую силу. Для решения этой проблемы архитекторы совершенствовали конструкцию куполов и арок, развивали технологии использования замковых камней, контрфорсов и других приспособлений, преобразующих сдвиговые напряжения в сжимающие. Оказалось, что эти архитектурные решения не только приносят пользу, но еще и украшают постройки. Они вдохновляют архитекторов и доставляют удовольствие людям, которые видят результат такой работы. Разглядывание купола Пантеона или системы контрфорсов собора Нотр-Дам-де-Пари заставляет нас отчетливо почувствовать силу, передаваемую с огромных высот вниз на землю, и ощущение этой победы над гравитацией является неотъемлемой частью того чувства наслаждения, которое вызывают в нас эти сооружения.

Все эти архитектурные решения во многом потеряли свою значимость после появления конструкционной стали и железобетона — материалов, которые очень хорошо сопротивляются сдвиговым напряжениям. Тем не менее использование новых материалов не избавило архитекторов от всех ограничений. Боковые силы, действующие на конструкцию высотных зданий, огромны, а сталь дорога, поэтому возникла новая задача эффективного использования материалов, при котором сооружения сохранят свою надежность без непомерного повышения их стоимости. К несчастью для архитектурной эстетики, разумно спроектированные стальные каркасы высотных зданий сейчас обычно скрыты за облицовочными материалами — кирпичом, камнем или стеклом, — которые играют весьма незначительную роль в конструкционной надежности сооружений[131]. «Международный стиль», который просто вобрал в себя эти ограничения, при всей своей элегантности вскоре наскучил, и теперь архитекторы добиваются общественного одобрения не за счет искусства сооружения конструкций, а за счет демонстрации своего новаторства в деталях, которые не относятся к новым конструкционным решениям. Сегодня мы можем с удовольствием оценить искусство постройки больших современных сооружений, только когда смотрим на некоторые мосты или купольные спортивные арены и восхищаемся тем, как такие конструкции не падают.

Искусство скульптуры тоже подвержено ограничениям, связанным с природой используемого скульпторами материала. Йейтс так представлял себе работу скульптора с несовершенным куском ляпис-лазури:

Каждое на камне пятно,

Каждая трещина на крутизне

Мне кажутся пропастью или лавиной

Готовой со скал обрушить снег[132].

Не только скульпторы вдохновляются трещинами, впадинами или выцветанием своих материалов; нам тоже доставляет удовольствие наблюдать за тем, как искусно они превращают эти изъяны в красоту. Да, для создания произведения искусства требуется не только высокое мастерство, но без него нам тоже не обойтись. В своей пьесе «Художник, спускающийся по лестнице» Том Стоппард устами одного из действующих лиц говорит: «Способности без воображения свойственны ремесленникам: это полезные люди, которые снабжают нас множеством полезных вещей — например, плетеными корзинками для пикников. Воображение без способностей — особенность современного искусства»[133].

Поэзия, как и архитектура, начиналась с решения практических задач. Рифма и в особенности ритм поэзии дают слушателю ощущение правильности, неизбежности, благодаря которым поэтические произведения запоминаются намного проще, чем прозаические. Дополнительно облегчало запоминание ранних произведений их монотонное декларирование нараспев или просто пение. Еще до появления письменности в темные времена существования греческой цивилизации между микенской и эллинистической эрами, когда письменность была утеряна, поэзия была единственным практическим способом общения между поколениями.

Чувство неизбежности — это важная составляющая всего того, что мы считаем прекрасным в поэзии. Это сродни тому, как, глядя на подвесной мост, мы восхищаемся его красотой, поскольку чувствуем, что каждый его трос расположен на своем месте. В физике мы тоже ищем теории, которые несут в себе это ощущение неизбежности. Хорошие теории должны не только соответствовать наблюдениям и удовлетворять внутренним ограничениям, гарантирующим невозможность получения абсурдных результатов вроде бесконечных вероятностей; они также должны в максимально возможной степени быть тем, чем они являются, потому что ничто другое не будет отвечать перечисленным ограничениям. Элементы поэтического ремесла, такие как рифма, ритм и аллитерация, усиливают восхитительное чувство неизбежности в поэзии, и потому они успешно пережили распространение грамотности во времена Гомера и продолжают доставлять нам удовольствие.

В своей короткой поэме «Одиноко мое ремесло» (In my craft or sullen art) Дилан Томас несколько раз напоминает нам о роли ремесла в поэтическом искусстве:

Одиноко мое ремесло,

Искусство тихих ночей.

Когда яростна только луна,

А любовники обнимают в постели

Свои горести и печали,

Я тружусь в ликующем свете

Не для суетных комплиментов,

Не за славу и не за хлеб,

И не ради аплодисментов

В светлом вызолоченном зале,

А за тот гонорар, что едва ли

Кто-нибудь разглядеть сумеет

В тайных глубинах души.

Не для презревших луну,

Не для суетных, не для гордых,

Я пишу на пенных страницах

Не для тех мертвецов, которым

Подавай псалмы с соловьями,

А для тех, кто хмельными руками

Обнимает в постели горе

В тихих глубинах ночей,

Кто не слышал и не услышит

Вовеки моих речей[134].

В названии поэмы, которое повторяет первую строку, заявлено, что поэзия — это и ремесло, и искусство. Затем Томас изо всех сил старается описать поэзию с помощью слов, характеризующих ручной труд: «Я тружусь в ликующем свете». А ради чего? «А за тот гонорар», что платят любящие сердца. Он возвращается к этой теме в последних двух строках, печалясь о том, что любящие — это те, «Кто не слышал и не услышит / Вовеки моих речей».

Эта поэма — прекрасный пример поэтического ремесла. Она связана необычным ритмическим рисунком. Первая строфа начинается с пяти нерифмованных сток, после которых каждая следующая строка в строфе рифмуется с одной из первых пяти, пусть и по нестандартной схеме. Каждая строка второй строфы рифмуется с соответствующей строкой первой строфы (за исключением двух строк в середине первой строфы), а последние слова последней строки возвращаются к последним словам первой строки, подобно тому как музыкальное произведение возвращается в конце к главной тонике. Я не думаю, что подобная стихотворная форма достаточно популярна для того, чтобы ей дали название, но рифма в этой поэме успешно соединяет все ее части.

Метр поэмы поначалу непонятен. Ударные и безударные слоги скачут друг через друга без особого порядка. Но все же здесь есть внутренняя структура, которую не просто заметить при беглом прочтении. К началу 1940-х гг., когда Томас написал «Одиноко мое ремесло», он уже отказался от своих ранних экспериментов с триолетами и другими строгими метрическими формами и сосредоточился на использовании строк с равным числом слогов. Почти каждая строка этой поэмы состоит всего из семи слогов. Исключением являются всего три строки, состоящие из шести слогов, две из них завершают предложение и строфу, и их относительная краткость создает приятное чувство завершенности.

Йейтс в произведении «В тени Бен-Балбена» тоже подчеркивает важность традиционного поэтического ремесла и проклинает тех безымянных современных поэтов, кто этим ремеслом пренебрегает:

Верьте в ваше ремесло,

Барды Эрина! — назло

Этим новым горлохватам,

В подлой похоти зачатым,

С их беспамятным умом,

С языком их — помелом[135].

Драматурги, как архитекторы и скульпторы, тоже ограничены физическими рамками, в их случае — временны́ми и пространственными. Театральная сцена задает ограниченное пространство, а пьеса может длиться ограниченное время. И снова мы получаем удовольствие от того, как драматург преодолевает эти ограничения с помощью своего ремесла. Шекспир этим даже хвастается. В «Зимней сказке» в начале четвертого действия хор объясняет, что после завершения третьего действия прошло 16 лет:

Я — радость и печаль, я — истина и ложь.

Какое дело мне, кто плох, а кто хорош.

Я — Время. Я хочу вас наделить крылами.

Мы сказочный полет свершаем ныне с вами

И вмиг перенеслись через шестнадцать лет,

Они ушли во тьму, но не исчез их след.

Игра и произвол — закон моей природы.

Я разрушаю вмиг, что создавалось годы,

И созидаю вновь[136].

А в пьесе «Генрих V» в прологе, открывающем пьесу, злорадно потешается над задачей представления на сцене сражений Столетней войны:

И вместит ли

Помост петуший — Франции поля?

Вместит ли круг из дерева те шлемы,

Что наводили страх под Азенкуром?[137]

Некоторые драматурги сегодня развлекают публику демонстрацией того, как они могут преодолеть временны́е и пространственные ограничения театра. Том Стоппард в пьесе «Аркадия» вводит персонажей, которые живут в разные века, но появляются на сцене одновременно, как и черепашка, пережившая столетие, но не демонстрирующая никаких признаков возраста. В «Нормандских завоеваниях» Алан Эйкборн решает старую проблему, связанную с тем, что зрители не могут увидеть, что происходит, когда персонаж идет из столовой в гостиную или выходит из гостиной в сад. Эйкборн поставил три связанные друг с другом пьесы, действие которых происходит в столовой, в гостиной и в саду. Пьеса Стоппарда «Розенкранц и Гильденстерн мертвы» почти полностью посвящена тому, что происходит за кулисами «Гамлета».

В кино все эти приемы не нужны. И все же театр пережил появление кинематографа, отчасти потому, что драматургов вдохновляют театральные ограничения, а еще потому, что мы любим драматургические трюки. В своей кинематографической версии пьесы «Генрих V» Лоуренс Оливье не смог полностью отказаться от этого преимущества театра — фильм начинается с выступления на сцене театра «Глобус», и только позже сцена расширяется и действие переходит в долину Солсбери, изображающую «бескрайние Франции поля».

На мой взгляд, театр намного лучше справляется с вызовом, брошенным кинематографом, чем архитектура — с наличием конструкционной стали. Может быть, это обусловлено тем, что эти виды искусства получают поддержку по-разному. Большие здания строятся для корпораций или музеев, которым необходим узнаваемый образ. Пирамидальная форма небоскреба может быть лишена всякого смысла с конструктивной или экономической точек зрения, но по крайней мере каждый, кто увидит это здание, моментально поймет, что это башня «Трансамерика». С другой стороны, театр все еще получает поддержку от тех людей, которые хотят смотреть спектакли.

Я не хочу преувеличивать имеющиеся сходства между теоретической физикой и искусством. Я упоминал значение ощущения неизбежности в искусстве и в физике. Как говорил Кольридж, «ничто не может нравиться постоянно без определения причины, почему оно нравится именно так, а не иначе». Однако в искусстве ощущение неизбежности ограничено. Слушая сонату, вы можете почувствовать, что в ней нельзя изменить ни одной ноты (так что даже люди, вроде меня, не знающие нотной грамоты, зачастую могут понять, когда сыграна не та нота), а читая сонет, вы поймете, что из него нельзя выкинуть ни единого слова, однако чувство неизбежности ощущается намного слабее в более крупных произведениях (и я бы сказал, более значительных), например в опере Моцарта или пьесе Шекспира. Слишком сильное чувство неизбежности может даже наводить скуку. Как говорил Фрэнсис Бэкон, должна быть «некоторая странность в пропорциях». Наилучшие произведения искусства могут отражать сложность и непредсказуемость дел человеческих.

С другой стороны, в работе над теорией частиц и полей наша главная цель состоит в том, чтобы свести все законы природы к простой окончательной теории, которая будет в максимально возможной степени тем, чем она является, поскольку ничего другого быть не может. Как говорил Эйнштейн о своей собственной работе, мы пытаемся «не только узнать, как устроена природа и каким образом осуществляются ее преобразования, но еще и хотим достичь, насколько это возможно, утопической и, видимо, самонадеянной цели узнать, почему природа устроена именно так, а не иначе». Я и мои коллеги работаем в такой области фундаментальной физики, которая направлена на открытие окончательной теории, после которого мы, физики, останемся не у дел. А вот искусство будет существовать, пока существует цивилизация. И это единственное утверждение в моей речи, в справедливости которого я полностью уверен, поскольку без искусства нет цивилизации.

25. Из Нью-Йорка в Остин и обратно

16 июня 2017 г. я был в Нью-Йорке, где принимал участие в ежегодном совете Рокфеллеровского университета. Текст моего выступления на совете приведен в главе 20 этой книги. Вечером состоялся фантастический ужин, во время которого меня и других лауреатов попросили сказать пару слов. Моя речь на совете была несколько мрачной, поэтому своим выступлением на праздничном ужине я постарался немного развлечь аудиторию. В данной главе приводится текст моего выступления, записанный специально для этой книги и ранее нигде не публиковавшийся.

Я благодарен Рокфеллеровскому университету не только за оказанную мне сегодня честь, но и за то, что меня вернули в Нью-Йорк. Я жил в Техасе на протяжении 35 лет, но мой акцент все еще выдает мое нью-йоркское происхождение. Вчера утром, ожидая посадки на самолет в аэропорту Остина, я разговорился с одним техасцем. Через некоторое время он спросил меня: «Откуда вы?», на что я ответил: «Я местный». Затем, как я и ожидал, он спросил: «Нет, я имею в виду, откуда вы родом?» Пришлось признаться, что я родом из Нью-Йорка.

На самом деле «Нью-Йорк» в моем ответе был эвфемизмом. Я рос не на Манхэттене, а на материковой части Северной Америки, в боро[138] Бронкс. Тогда это было безопасное и комфортное место для взросления, но не очень интересное. Моя семья и я знали об очаровании Манхэттена, но не имели к нему никакого отношения.

Когда пришло время выбирать колледж, я очень хотел убраться подальше из Нью-Йорка. Один мой друг спросил, почему я собираюсь заняться теоретической физикой, и я ответил, что хочу быть физиком, чтобы на самом глубочайшем уровне исследовать фундаментальные законы природы и уехать из Бронкса. Я выбирал между Массачусетским технологическим институтом и Корнеллом. Я побывал в обоих и в итоге выбрал Корнелл, поскольку Итака меньше, чем Восточный Кембридж, напоминала Бронкс и там было гораздо больше зелени.

Это решение оказалось одним из лучших в моей жизни, потому что в Корнелле я познакомился с Луизой, которая сегодня здесь, со мной. Мы поженились сразу после окончания университета и не стали возвращаться в Нью-Йорк, а отправились в Копенгаген и Принстон. После некоторого времени, проведенного в Принстоне, мы страстно захотели вернуться в Нью-Йорк, но на этот раз в настоящий Нью-Йорк. У нас была однокомнатная квартира недалеко отсюда, дом 405 на Восточной 63-й улице.

Когда я говорю «однокомнатная», я имею в виду не «с одной спальней», а вообще с одной комнатой. Но зато это был Манхэттен. Я устроился в постдокторантуру Колумбийского университета и рассчитывал, что займу постоянное место ассистента профессора, и мы в конце концов сможем переехать в двухкомнатную квартиру на Манхэттене.

Этого не случилось. В Колумбийском университете было всего одно место ассистента по теоретической физике, и его занял мой хороший друг Гари Фейнберг, который опубликовал к тому времени статью, превосходящую по значимости любую из моих работ. Мы с Луизой покинули Нью-Йорк. С тех пор мы пожили в Сан-Франциско и Лондоне, потом вместе с нашей дочерью Элизабет в Беркли, Кембридже и Пало-Альто и в итоге обосновались в Остине.

Остин — необычный для Техаса город. По политическим взглядам он столь же либерален, как Манхэттен — синяя точка в море красного на электоральной карте Техаса. В некоторых частях Техаса эту синюю точку называют Народной республикой округа Тревис. В остальном Остин тоже необычен. В сумерки у перил моста на Конгресс-авеню выстраиваются жители Остина, чтобы посмотреть на вылетающих из-под моста на ночную охоту летучих мышей из самой крупной в Америке городской колонии. Остин, наверное, единственное место в мире, где каждый год отмечают день рождения ослика Иа-Иа. Клуб Armadillo World Headquarters закрылся, но в Остине все еще работает ночной клуб, в котором можно станцевать Cotton-Eye Joe[139] вместе с фермерами, бабушками и программистами. Самый популярный вариант наклеек на бампер автомобиля в Остине — «Сохраните Остин странным» (Keep Austin weird). (Но все же свой любимый вариант наклейки я увидел вскоре после переезда в Остин: «Иисус любит меня. А тебя ненавидит» — Jesus loves me. He hates you.) Остин подарил миру Dell Computers, Whole Foods и Вилли Нельсона[140].

Вы, наверное, уже догадались, что мне нравится жить в Остине. Но при этом время от времени закрадывается подозрение, что все происходящее за пределами Нью-Йорка не в счет. Поэтому, как я уже сказал, я крайне признателен за приглашение, давшее мне повод вернуться сюда на несколько дней. Я надеюсь, что кто-то из присутствующих нанесет ответный визит. После 35 лет в Остине я научился говорить как настоящий техасец: «Давайте приезжайте повидаться, слышите?»

Примечания

1

Вайнберг С. Объясняя мир. Истоки современной науки. — М.: Альпина нон-фикшн, 2018.

2

Центр Гарри Рэнсома — это архив, библиотека и музей в Техасском университете в Остине. Центр занимается сбором литературных и культурных памятников в США, Латинской Америке и Европе, способствует развитию искусства и гуманитарных наук. — Прим. пер.

3

Конечно, днем звезд не видно, но некоторые из них появляются на небе сразу после заката, когда положение Солнца на небосводе еще можно определить.

4

Гномон отличается от солнечных часов тем, что столбик солнечных часов, устанавливается не вертикально, а под углом, который выбирается так, чтобы тень от столбика проходила приблизительно один и тот же суточный путь в течение всего года. Из-за этого солнечные часы полезны именно как часы, но не как календарь.

5

Пер. с древнегреч. В. Вересаева. — Прим. пер.

6

Казалось бы, почему Калипсо не указала Одиссею как ориентир Полярную звезду? Причина в том, что во времена Гомера звезда Полярис, которая теперь называется Полярной, не находилась на Северном полюсе небосклона. Конечно, сама Полярная звезда с тех пор никуда не смещалась. Все дело в явлении, которое было открыто Гиппархом и получило название «предварение равноденствий». Говоря современным языком, ось вращения Земли не сохраняет свое положение в пространстве, но прецессирует, подобно оси вращающегося волчка, совершая полный оборот каждые 25 727 лет. О точности греческой астрономии можно судить по тому, что Гиппарх определил период прецессии равным 28 000 лет.

7

Цит. по: Платон. Соб. соч. в 4 т. Т. 3 / Под общ. ред. А.Ф. Лосева, В.Ф., Асмуса, А.А. Тахо-Годи; Пер. с древнегреч. — М.: Мысль, 1994.

8

Я говорю о «прямом» применении, поскольку экспериментальные и теоретические работы в области физики элементарных частиц, которые раздвигают рамки современных знаний, иногда дают начала новым технологиям, имеющим важнейшее практическое применение. Замечательным примером является интернет — Всемирная паутина. Подобные примеры могут послужить веским аргументом при запросе государственной поддержки, но исследованиями мы занимаемся не из-за этого.

9

Более подробно я написал об этом в статье The Wrong Stuff, опубликованной в The New York Review of Books 8 апреля 2004 г. (и переизданной в сборнике Lake Views [Cambridge, MA: Belknap Press of Harvard University Press, 2009]).

10

Такое мнение было недавно высказано Джованни Биньями, главой научного комитета Европейского космического агентства в журнале Nature, номер от 16 июля 2009 г.

11

Пер. с древнегреч. Л. Блуменау. Цит. по: Греческая эпиграмма / Пер. с древнегреч. под ред. Ф. Петровского. — М.: Гос. изд-во худ. лит., 1960.

12

В интерпретации квантовой механики, разработанной Эрвином Шрёдингером, состояние системы описывается волновой функцией. Если система состоит из единственной частицы, например электрона в электрическом поле атомного ядра, волновая функция представляет собой множество чисел, каждое из которых ставится в соответствие определенному месту в пространстве, потенциально занимаемому частицей. Большему значению волновой функции соответствует более высокая вероятность нахождения частицы в данной точке пространства. Волновое уравнение описывает изменение с течением времени этих вероятностей.

13

Спин — величина, которая характеризует момент вращения частицы вокруг своей оси. Спин 1/2 вдвое меньше спина фотонов — частиц, из которых состоит свет.

14

Это и в самом деле произошло в 2012 г.

15

В рамках квантовой теории поля положения квантовой механики применяются к полям, например к электрическому и магнитному, а не к частицам непосредственно. Элементарные частицы в квантовой теории поля — это сгустки энергии и импульса различных полей.

16

Бета-распад — один из видов радиоактивного распада атомного ядра, в котором протон превращается в нейтрон или наоборот.

17

Кулоновским барьером называют электростатическое отталкивание между положительными электрическими зарядами ядра и альфа-частицами или любыми другими положительно заряженными частицами, используемыми для бомбардировки ядра.

18

Нейтрино электрически нейтральны и практически не взаимодействуют с веществом. Они отнимают у электронов часть энергии, выделяемой ядром при бета-распаде, но их очень сложно обнаружить.

19

Позитрон — античастица электрона. Он имеет точно такие же массу и спин, что и электрон, и электрический заряд, равный по величине и противоположный по знаку заряду электрона.

20

Фермионы и бозоны — частицы, отличающиеся поведением волновых функций при перестановке двух тождественных частиц; если эти две частицы — фермионы, то волновая функция меняет знак; если это бозоны, то не меняет. Сложная система, вроде атомного ядра, ведет себя как фермион, если в ней нечетное число фермионов, и как бозон в противном случае. Нейтроны, протоны и электроны являются фермионами, поэтому, если ядро азота-14 состоит из 14 протонов (исходя из наблюдаемой массы) и семи гораздо более легких электронов (судя по наблюдаемому заряду), тогда оно — фермион, хотя анализ молекул, состоящих из двух атомов азота показал, что ядра азота-14 на самом деле являются бозонами, поскольку они состоят из семи протонов и семи нейтронов.

21

МэВ — мегаэлектронвольт, или 1 млн электронвольт, — единица измерения энергии, используемая в атомной и ядерной физике, в физике элементарных частиц и смежных областях физики. В физике элементарных частиц в электронвольтах обычно выражается не только энергия, но и масса элементарных частиц. В единицах массы 1 эВ = 1,782 661 907 (11)·10−36 кг.

22

Симметрия подробно обсуждается в главе 11 этой книги, в статье, написанной специально для непосвященных читателей.

23

Таков принцип инвариантности, согласно которому уравнения, описывающие нейтроны и протоны и силы их взаимодействия, не должны изменяться, если в этих уравнениях нейтроны и протоны поменять местами или заменить частицами, представляющими смешанное состояние одного протона и одного нейтрона.

24

В начале 1930-х гг. заметили, что в квантовой теории электронов и электромагнетизма, в случае, если вычисления энергий частиц выходят за рамки простейшего приближения, значения этих энергий оказываются бесконечными. Проблему удалось решить, когда обнаружилось, что бесконечности исчезают, если провести подходящее переопределение — перенормировку массы и заряда электрона и полей электрона и фотона.

25

Это частицы, которые кажутся странными, поскольку они могут быть получены только совместно друг с другом и никогда поодиночке.

26

О спонтанном нарушении симметрии говорят, если, несмотря на наличие симметрии в уравнениях, описывающих физическое явление, в самом физическом явлении симметрии не наблюдается.

27

Локальные, или калибровочные, симметрии — это свойства инвариантности физических уравнений при определенных преобразованиях, которые (в отличие от преобразований изоспиновой симметрии) могут варьироваться во времени и пространстве.

28

Постоянная Планка — фундаментальная константа в квантовой механике, введенная Максом Планком в рамках его теории теплового излучения, предложенной в 1900 г.

29

Это материя, о существовании которой говорят гравитационные эффекты. Астрономы утверждают, что на ее долю приходится около 5/6 от общей массы Вселенной.

30

Включая техническое требование, чтобы результаты далеко разнесенных в пространстве экспериментов не коррелировали.

31

Барионы — это протоны, нейтроны и соответствующие частицы сильного взаимодействия. Лептоны — это электроны, нейтрино и соответствующие частицы слабого взаимодействия. Сохранение барионных и лептонных чисел означает, что полное число барионов минус число их античастиц никогда не изменяется, и то же самое относится к лептонам.

32

Dirac P. Quantum mechanics of many-electron systems // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. 1929. Vol. 123. Issue 792. http://doi.org/10.1098/rspa.1929.0094

33

Говорят, что излучение имеет определенную температуру, если плотность его энергии распределена по длинам волн так же, как энергия равновесного излучения в комнате, стены которой имеют эту температуру. Для нас такое излучение в основном видимо при температуре в несколько тысяч градусов, инфракрасное излучение имеет температуру, с которой мы имеем дело в повседневной жизни, а температура микроволнового излучения всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля.

34

Все еще верно и в 2019 г.

35

Вторая космическая скорость — наименьшая скорость, которую необходимо придать объекту, чтобы вывести его за пределы замкнутой орбиты вокруг небесного тела, например Земли. — Прим. пер.

36

То есть некоторые вклады в поток или энергию положительны и бесконечны, а другие — отрицательны и бесконечны, но общая их сумма оказывается конечной.

37

Я говорил о нарушении симметрии в более ранней статье, текст которой приведен в главе 11 этой книги.

38

Скалярное поле — это поле, которое не характеризуется никаким направлением в пространстве, в отличие от электрического и магнитного полей, которые характеризуются некоторым направлением.

39

См. главу 13 этой книги.

40

Древнегреческий философ, софист, автор знаменитого тезиса «Человек есть мера всех вещей». — Прим. пер.

41

Постепенное изменение положения весеннего и осеннего равноденствий, то есть точек пересечения небесного экватора с эклиптикой. — Прим. пер.

42

Вайнберг С. Гравитация и космология. — М.: Мир, 1975.

43

Вайнберг С. Первые три минуты. — М.: АСТ, 2019.

44

Steven Weinberg, The Discovery of Subatomic Particles (New York: Scientific American Library, 1983; rev. ed., Cambridge: Cambridge University Press, 2003).

45

Вайнберг С. Объясняя мир. Истоки современной науки. — М.: Альпина нон-фикшн, 2018.

46

Виги — британская политическая фракция, со временем преобразованная в партию, сыгравшую важную роль в проведении Славной революции 1688 г. и выступавшую основным оппонентом партии тори в британском парламенте в XVII–XIX вв. — Прим. пер.

47

Herbert Butterfield, The Whig Interpretation of History (1931; republished, New York: W. W. Norton, 1965). В этой главе я вслед за Баттерфилдом пишу «Виг» с прописной буквы, когда речь идет о политической партии, и со строчной буквы, когда речь идет об интеллектуальном тренде.

48

Объясняя мир. Истоки современной науки.

49

Презентизм — направление в методологии истории XX в. (особенно в США в 1920–1940-х гг.), которое рассматривает историческую науку не как отражение объективных, имевших место в прошлом явлений, а лишь как выражение идеологических отношений современности. Таким образом, презентизм отвергает возможность объективной исторической истины. — Прим. пер.

50

T. Kuhn, “The History of Science,” in International Encyclopedia of the Social Sciences, vol. 14 (New York: Macmillan, 1968), 76.

51

E. H. Harrison, “Whigs, Prigs, and Historians of Science,” Nature 329, no. 213 (September 1987).

52

N. Jardine, “Whigs and Stories: Herbert Butterfield and the Historiography of Science,” Journal of the History of Science 41, no. 125 (2003).

53

E. Mayr, “When Is Historiography Whiggish?” Journal of the History of Ideas 51, no. 2 (1990): 301–309.

54

Английский народный танец. — Прим. пер.

55

Цит. по: Гюйгенс Х. Трактат о свете, в котором объяснены причины того, что с ним происходит при отражении и при преломлении, в частности при странном преломлении исландского кристалла / Пер. с фр.; Под ред. и с прим. В.К. Фредерикса. — Изд. 2-е. — М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2010. — (Классики науки.) — Прим. пер.

56

Цит. по: Гюйгенс Х. Трактат о свете, в котором объяснены причины того, что с ним происходит при отражении и при преломлении, в частности при странном преломлении исландского кристалла / Пер. с фр.; Под ред. и с прим. В. К. Фредерикса. Изд. 2-е. — М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2010. — (Классики науки.)

57

David C. Lindberg, The Beginnings of Modern Science (Chicago: University of Chicago Press, 1992).

58

Лекции были опубликованы в 1950 г. Гербертом Баттерфилдом в The Origins of Modern Science, rev. ed. (New York: Free Press, 1957).

59

Смотри заключительный абзац в статье A. R. Hall, “On Whiggism,” History of Science 21, no. 45 (1983).

60

Описание религиозных взглядов Баттерфилда приведено в книге M. Bentley, The Life and Thought of Herbert Butterfield (Cambridge: Cambridge University Press, 2011).

61

W. Thomson (Lord Kelvin), Philosophical Magazine 23 (February 1862): 158–160; reprinted in Wm. Thomson, Lord Kelvin, Mathematical and Physical Papers, ed. J. Larmor, vol. 5 (Cambridge: Cambridge University Press, 1911), 141–144.

62

Вуттон Д. Изобретение науки. — М.: КоЛибри, Азбука-Аттикус, 2018.

63

Говоря о «статистике», Чедвик имел в виду различия, которые разделяют все частицы (элементарные или нет) на два класса, названные бозонами и фермионами. Состояние любой системы полностью симметрично относительно перестановки координат и спинов тождественных бозонов: оно не изменяется, если два тождественных бозона поменять местами. Наоборот, состояние системы антисимметрично относительно перестановки координат и спинов тождественных фермионов; то есть волновая функция, которая описывает состояние в квантовой механике, меняет свой знак на противоположный при перестановке двух тождественных фермиона. Например, электроны и протоны — фермионы; фотоны (частицы света) и атомы водорода — бозоны.

64

Чтобы наблюдались правильные значения полных массы и заряда атома азота-14 из протонов и электронов, атом должен состоять из 14 протонов и семи электронов, что в сумме составит 21 фермион, однако любая частица, составленная из нечетного числа фермионов, будет фермионом, а не бозоном.

65

Зарядовая инвариантность — это принцип, согласно которому ядерные силы не изменятся, если в уравнениях, описывающих эти силы, мы заменим протоны на нейтроны, а нейтроны — на протоны или даже если мы заменим и протоны, и нейтроны на различные комбинации протонов и нейтронов.

66

Мюоны — это частицы, которые, как теперь известно, ведут себя как электроны, только имеют массу примерно в 210 раз больше.

67

Пионы и странные частицы — это сильно взаимодействующие частицы, которые возникают при столкновении протонов и нейтронов высоких энергий. Некоторые из этих частиц были названы «странными», поскольку, в отличие от пионов, они не могут возникать поодиночке, но только совместно с другими странными частицами.

68

Бета-распад — это процесс радиоактивного распада, когда в атомном ядре нейтрон превращается в протон; или, наоборот, испуская при этом быстрый электрон или антиэлектрон и антинейтрино или нейтрино. Нейтрино и антинейтрино — это практически безмассовые частицы, не имеющие электрического заряда.

69

Werner Heisenberg, “The Nature of Elementary Particles,” Physics Today 29, no. 3 (March 1976): 33.

70

Фазовые сдвиги — это функции от энергии, используемые в квантовой механике для описания рассеяния частиц при столкновениях.

71

Дейтрон — это ядро дейтерия, тяжелого изотопа водорода.

72

Этот вопрос был разрешен с открытием бозона Хиггса, описанным в главах 12 и 13. Дополнительные спиновые состояния W- и Z-частиц являются элементарными и связаны с бозоном Хиггса симметриями теории электрослабого взаимодействия.

73

Хокинг С., Млодинов Л. Высший замысел. — М.: АСТ, 2017.

74

A. Loeb, Nature 539 (November 3, 2016): 23. Лёб назвал мою статью 1987 г. о темной энергии первой в списке кошмаров.

75

Для краткости я буду ссылаться на книгу по имени ее старшего автора, Хокинга, вместо Хокинга и Млодинова.

76

Хокинг С. Кратчайшая история времени. — М.: АСТ, 2017.

77

10−38 — это число, в котором после десятичной точки идут 37 нулей и единица.

78

Высказывание Хокинга о системе Птолемея более справедливо отнести в адрес системы датского астронома XVI в. Тихо Браге. В системе Браге Солнце движется вокруг Земли, но остальные планеты обращаются вокруг Солнца. Теория Браге позволяет получить те же предсказания для фаз планет, что и теория Коперника. Однако наблюдение звездного параллакса, выполненное в XIX в., показало, что по крайней мере в системе отсчета, связанной со звездами, именно Земля, а не Солнце, ежегодно проходит по своей орбите.

79

Marcus du Sautoy, Symmetry: A Journey into the Patterns of Nature (New York: Harper, 2008); Ian Stewart, Why Beauty Is Truth: A History of Symmetry (New York: Basic Books, 2007).

80

По причинам, которые сложно объяснить без привлечения математики, эти симметрии предполагают выполнение важных законов сохранения — сохранения энергии, импульса и момента импульса (или спина). Некоторые другие симметрии подразумевают сохранение других величин, например электрического заряда.

81

Лоренц пытался объяснить неизменность наблюдаемой скорости света, изучая влияние движения на частицы материи. Эйнштейн же, наоборот, объяснял те же результаты наблюдений изменением одной из фундаментальных симметрий природы.

82

Термин «нарушенная симметрия» вводит в заблуждение. В рассматриваемых случаях симметрия в фундаментальных уравнениях может быть точной; она отсутствует только в решениях этих уравнений.

83

Киральная симметрия похожа на упомянутую выше протон-нейтронную симметрию за исключением того, что преобразования симметрии могут отличаться в зависимости от того, по или против направления их движения направлены их спины. Пи-мезон в некотором смысле является аналогом медленной прецессии эллиптической планетарной орбиты; как малые возмущения могут существенно изменять ориентацию орбиты, так и пи-мезоны могут возникать при столкновениях нейтронов и протонов относительно низких энергий.

84

Честность вынуждает меня признать, что здесь я намеренно опускаю некоторые технические сложности зеркальной симметрии. Однако это замечание о случайной симметрии применимо к симметрии материи-антиматерии без усложнений.

85

Эти частицы не наблюдались в экспериментах не потому, что они слишком тяжелы для создания в ускорителе (глюоны являются безмассовыми, а некоторые кварки довольно легкие), но потому, что сильное ядерное взаимодействие удерживает их вместе в смешанных состояниях, таких как протоны и нейтроны.

86

Снова я признаю, что опускаю некоторые сложные моменты.

87

Лептонное число определяется как число электронов и аналогичных более тяжелых заряженных частиц плюс число нейтрино минус число их античастиц. (Этот закон сохранения требует, чтобы нейтрино были безмассовыми, поскольку нейтрино и антинейтрино отличаются только тем, по или против направления их движения направлены их спины. Если бы нейтрино имели массу, тогда они бы двигались со скоростью ниже скорости света, поэтому можно было бы обратить их видимое направление движения, двигаясь с более высокой скоростью. В этом случае спин, направленный по направлению движения, окажется направленным против и нейтрино превратится в антинейтрино, в результате чего изменится лептонное число.) Барионное число пропорционально разности числа кварков и антикварков. Протоны — это легчайшие частицы с ненулевым барионным числом, поэтому если бы барионное число всегда сохранялось, не существовало бы таких частиц, на которые мог бы распасться протон при условии сохранения энергии.

88

Этот вопрос обсуждается в главе 11.

89

Наклбол — один из способов подачи мяча, при котором мяч летит практически без вращения и в последний момент резко меняет траекторию, падая вниз. — Прим. пер.

90

Ограничения, накладываемые на звуковые волны вблизи закрытых или открытых концов органных труб, требуют, чтобы на длине трубы укладывалось нечетное число четвертей длины волны, или четное или нечетное число полудлин волны. Таким образом возникают ограничения на то, какие именно ноты могут быть исполнены с помощью этой трубы. В атоме волновая функция должна отвечать условию непрерывности и ограниченности вблизи ядра и вдали от него, что ограничивает возможные значения энергии для состояний атома.

91

Цит. по: A. Pais. Subtle Is the Lord (Oxford: Oxford University Press, 1982), 443.

92

Цикл лекций, который проводит лауреат награды, присуждаемой Корнеллским университетом. Проводится с 1924 г. Наиболее известные лекции были прочитаны Ричардом Фейнманом в 1964 г. — Прим. пер.

93

Фейнман Р. Характер физических законов. — М.: АСТ, 2016.

94

L. Krauss, A Universe from Nothing (New York: Free Press, 2012).

95

G. Segrè, Ordinary Geniuses (New York: Viking, 2011).

96

Это комплексные числа, то есть величины вида a + ib, где a и b — это обычные вещественные числа, а i — мнимая единица, равная корню квадратному из минус единицы.

97

Заметим, что электрон не может вращаться, не обладая пространственной протяженностью. — Прим. науч. ред.

98

Такая волновая функция содержит гораздо больше информации, чем просто выбор между положительным и отрицательным спином. Именно эта дополнительная информация делает возможными квантовые компьютеры, в которых информация хранится в виде волновых функций подобного типа. Такие квантовые компьютеры намного мощнее обычных цифровых компьютеров.

99

Точнее говоря, эти «квадраты» берутся от абсолютных значений комплексных чисел в волновых функциях. Для комплексного числа вида a + ib квадрат абсолютного значения равен сумме квадратов a и b.

100

Противостояние реалистичного и инструментального подходов прекрасно описано Шоном Кэрроллом в его книге The Big Picture (New York: Dutton, 2016).

101

Поясняющие математические подробности можно найти в параграфе 3.7 моих лекций по квантовой механике. См. Lectures on Quantum Mechanics, 2nd ed. (Cambridge: Cambridge University Press, 2015).

102

Цит. по: M. Gleiser, The Island of Knowledge (New York: Basic Books, 2014), 222.

103

Я использую термин «реалистский» не в обычном современном смысле этого слова, но в его средневековом смысле. Средневековый философ-реалист считал, что платоновские формы реальны, и в реалистском подходе в квантовой механике волновая функция рассматривается как фактор реальности, а не просто инструмент для расчета вероятностей.

104

По вопросу квантовой запутанности см. Jim Holt, “Something Faster than Light? What Is It?” The New York Review of Books 63, no. 17 (November 10, 2016): 50–52.

105

Это уравнение названо в честь Горана Линдблада, однако аналогичные уравнения были предложены независимо Виттори Горини, Анджеем Коссаковски и Джорджем Сударшаном.

106

Коммуна в юго-западных предместьях Парижа, где расположена штаб-квартира Международного бюро мер и весов. — Прим. пер.

107

Показано в статье, которую я опубликовал в журнале Physical Review A в 2016 г.

108

Цит. по: Шекспир У. Полн. собр. соч. в 8 т. Т. 1 / Пер. М.Л. Лозинского. М.-Л.: ACADEMIA, 1937. — Прим. пер.

109

Такие гравитационные волны, сформировавшиеся в результате столкновения черных дыр, были открыты в 2015 г., а в 2017 г. зафиксированы волны от столкновения нейтронных звезд. Эти исследования были выполнены на наземном оборудовании, но на Земле точность подобных измерений сильно ограничена сейсмическим шумом.

110

Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми расположена в городке Батавия недалеко от Чикаго. — Прим. пер.

111

Разновидность критского письма, открытая в конце XIX в. А. Эвансом. Несмотря на многочисленные попытки расшифровать надписи, сделанные на линейном письме А, язык до сих пор остается непонятным. — Прим. пер.

112

Более подробно этот вопрос обсуждается в главах 11 и 12.

113

В своей новой книге «Загадка бесконечности» (The Infinity Puzzle, Basic Books, 2011) Фрэнк Клоуз отмечает, что появление термина «бозон Хиггса» отчасти связано с допущенной мной ошибкой. В своей статье 1967 г. об объединении слабого и электромагнитного взаимодействий я процитировал работы Питера Хиггса и двух других групп теоретиков, которые разработали математический аппарат, описывающий нарушение симметрии в общих теориях с частицами, переносящими взаимодействие, хотя авторы работ не применяли этот аппарат к слабому и электромагнитному взаимодействиям. Типичным следствием теорий нарушения симметрии является возникновение новых частиц, своего рода мусора. Существование особой частицы такого общего типа было предсказано в моей работе 1967 г.; это именно тот самый бозон Хиггса, который сейчас ищут с помощью БАК. Теперь что касается моей ответственности за название «бозон Хиггса». Из-за ошибки в датах этих трех более ранних публикаций я решил, что самой первой была работа Хиггса, поэтому в своей статье 1967 г. я процитировал Хиггса первым и с тех пор всегда поступал именно так. Другие физики, очевидно, повторили за мной. Но, как отмечает Клоуз, самой первой из тех трех работ, что я цитировал, была работа Роберта Браута и Франсуа Энглера. В оправдание своей ошибки должен отметить, что Хиггс, Браут и Энглер работали независимо примерно в одно время, тогда же работала и третья группа ученых (Джеральд Гуральник, Ричард Хаген и Том Киббл). Но название «бозон Хиггса», кажется, прижилось.

114

Как указано в главе 13, открытие было подтверждено в 2012 г.

115

Это явление используется в технике для создания пучка поляризованных электронов. — Прим. пер.

116

Более подробно об этом я написал в главе 1.

117

Должен признать, что не все разделяют это мнение. После того как моя статья была опубликована, я получил сообщение от своего старого друга, выдающегося физика-экспериментатора Бертона Рихтера. Он написал, что ему понравились первая и последняя части моей статьи, но он категорически не согласен с моим утверждением о причине повышения стоимости SSC.

118

Тактика проваливания законопроектов путем оттягивания момента принятия решения с помощью как можно более длительного обсуждения; используется, как правило, в сенате, так как именно эта палата конгресса имеет меньше ограничений по прениям. — Прим. пер.

119

Штат, в котором исход голосования по выборам президента не ясен до последнего момента, так как основные претенденты имеют приблизительно равные шансы на победу. — Прим. пер.

120

Служба при президенте США, обеспечивающая всестороннюю научную и техническую поддержку всей администрации президента; основана в 1976 г. — Прим. пер.

121

Герой пьесы У. Шекспира «Гамлет». Суждения героя по ходу пьесы, как правило, ошибочны. — Прим. пер.

122

Гарольд Блум — американский историк и теоретик культуры, литературный критик и литературовед, библеист, религиовед. Джеймс Макгрегор Бернс — историк и политолог, президентский биограф и авторитет в вопросах стиля и методов руководства. Лауреат Пулитцеровской премии. Стэнли Фиш — литературный теоретик, юрист, писатель и общественный деятель. Нэнси Хопкинс — молекулярный биолог, профессор биологии в Массачусетском технологическом институте, член Национальной академии наук, Института медицины Национальной академии и Американской академии наук и искусств. Гарри Уиллс — писатель, журналист и историк, специализирующийся на американской истории, политике и религии, особенно истории католической церкви. Лауреат Пулитцеровской премии. — Прим. пер.

123

Здесь мы вынуждены не согласиться с автором. Единственным предполагаемым читателем Аристотеля был Александр Македонский, и никакой другой человек к его сочинениям на протяжении столетий доступа получить не мог. — Прим. науч. ред.

124

Галилео Г. Пробирных дел мастер. — М.: Наука, 1987.

125

Симметрия уравнений движения относительно изменения знаков координат всех частиц. — Прим. пер.

126

Американский писатель и историк. Наиболее известна его автобиографическая книга «Воспитание Генри Адамса». — Прим. пер.

127

Балет русского композитора Игоря Стравинского. — Прим. пер.

128

Цит. по: Йейтс У. Б. Винтовая лестница: Поэзия / Пер. с англ. Г. Кружкова. — М.: Книжный Клуб Книговек, 2012.

129

Пер. с англ. А. Калинина. Цит. по: Гринберг К. Авангард и китч // Художественный журнал. — 2005. — № 60.

130

Цит. по: Ньютон И. Математические начала натуральной философии. — М.: Наука, 1989.

131

Существуют и исключения, например Центр Джона Хэнкока в Чикаго, но их немного. Я должен признать также, что великие архитекторы прошлого, скажем Брунеллески, иногда изо всех сил старались спрятать свои конструктивные решения.

132

Цит. по: Йейтс У.Б. Винтовая лестница: Поэзия / Пер. с англ. Г. Кружкова. — М.: Книжный Клуб Книговек, 2012.

133

Цит. по: Стоппард Т. Розенкранц и Гильденстерн мертвы. — М.: Иностранка, 2006.

134

Dylan Thomas, Deaths and Entrances (London: J. M. Dent and Sons, 1946). Цит. по: Томас Д. Собрание стихотворений 1934–1953 / Пер. с англ. В. Бетаки. Послесл. и комм. Е. Кассель. — Б.м.: Salamandra P.V.V., 2010. — С. 258.

135

Цит. по: Йейтс У.Б. Винтовая лестница: Поэзия / Пер. с англ. Г. Кружкова. — М.: Книжный Клуб Книговек, 2012.

136

Пер. с англ. В. Левика. Цит. по: Шекспир У. Полн. собр. соч. в 8 т. Т. 8. — М.: Искусство, 1960.

137

Пер. с англ. Е. Бируковой. Цит. по: Шекспир У. Полн. собр. соч. в 8 т. Т. 5. — М.: Искусство, 1959.

138

Единица административного деления города Нью-Йорк. — Прим. пер.

139

Американская народная песня, получившая всемирную популярность в 1994 г. в исполнении шведской группы Rednex. — Прим. пер.

140

Американский композитор и певец, работающий в стиле кантри. Обладатель 12 наград «Грэмми». — Прим. пер.

Content

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

Предисловие

I. История науки

1. О пользе астрономии

2. Искусство открытия

3. От Резерфорда до БАК

4. Преподаватели и ученые в земле Техаса

5. Возвышение Стандартных моделей

6. Мгновения и эпохи

7. С оглядкой на современность: виговская история науки

8. Виговская история науки: обмен мнениями

II. Физика и космология

9. Что такое элементарная частица?

10. Всё ещё неизвестная Вселенная

11. Разнообразие симметрий

12. Бозон Хиггса и последствия

13. Почему бозон Хиггса?

14. Проблема квантовой механики

III. Общественные вопросы

15. Обама финансирует космос правильно

16. Кризис большой науки

17. Либеральное разочарование

18. Льготы нужно сохранить

19. Критика пилотируемых космических полетов

20. Скептики и ученые

IV. Личные вопросы

21. Меняй курс

22. О научно-популярной литературе

23. О признании ошибок

24. Ремесло науки и ремесло искусства

25. Из Нью-Йорка в Остин и обратно

Примечания