Мечты об окончательной теории. Физика в поисках самых фундаментальных законов природы

Представления некоторых людей о Боге столь широки и податливы, что эти люди неизбежно находят Бога везде, куда ни обратится их взор: «Бог – это предел всего», «Бог – наше лучшее естество» или: «Бог – это Вселенная». Конечно, слову «бог», как и всякому иному, можно придать любой смысл по нашему желанию. Если вы захотите заявить, что «Бог – это энергия», то обнаружите Бога и в куче угля. Но если все же слова имеют для нас хоть какую-то ценность, нам следует уважать то, в каком смысле они исторически употреблялись, особенно сохраняя те различия, которые не дают смыслу одних слов смешиваться со смыслом других.

Мне не известен ни один учёный, сделавший заметный вклад в развитие физики в послевоенный период, работе которого существенно помогли бы труды философов. В предыдущей главе я упоминал о том, что Вигнер назвал "непостижимой эффективностью" математики. Здесь я хочу указать на другое в равной степени удивительное явление - непостижимую неэффективность философии.
Даже если в прошлом философские доктрины и оказывали какое-то полезное воздействие на учёных, влияние этих доктрин затягивалось на слишком долгое время, принося в конце концов тем больше проблем, чем дольше эти доктрины оставались в употреблении.

Гейзенберг отмечал, что сам Эйнштейн пересмотрел свое отношение к позитивизму, ощутимому в начальной формулировке теории относительности. В прочитанной в 1974 г. лекции Гейзенберг вспоминает беседу с Эйнштейном в Берлине в начале 1926 г.:

«Я заметил Эйнштейну, что мы на самом деле не можем наблюдать такую траекторию [электрона в атоме]; реально мы наблюдаем лишь частоты света, испущенного атомом, интенсивности и вероятности переходов, а не сами траектории. Поскольку кажется рациональным вводить в теорию только такие величины, которые могут быть непосредственно обнаружены, понятие траекторий электрона не должно фигурировать в теории. К моему изумлению, этот аргумент совершенно не убедил Эйнштейна. Он полагал, что всякая теория содержит на самом деле ненаблюдаемые величины. Принцип использования только наблюдаемых величин просто невозможно непротиворечиво соблюсти. И когда я возразил на это, что я просто использую ту же философию, что и он при формулировке основ специальной теории относительности, Эйнштейн ответил на это: “Может быть, раньше я и пользовался этой философией, и даже писал так, но все равно это глупость”».

Еще раньше, в парижской лекции 1922 г., Эйнштейн отозвался о Махе как о «хорошем механике», но «жалком философе».

Несмотря на победу атомизма и отречение Эйнштейна тема позитивизма время от времени всплывает в физике ХХ в. Позитивистская сосредоточенность на наблюдаемых, типа координат и импульсов частиц, стояла на пути «реалистической» интерпретации квантовой механики, в которой волновая функция представляет физическую реальность. Позитивизм также внес лепту в запутывание проблемы бесконечностей. Как мы видели, Оппенгеймер в 1930 г. заметил, что теория фотонов и электронов, известная как квантовая электродинамика, приводит к абсурдному результату, что испускание или поглощение фотонов электронами в атоме придает ему бесконечную энергию. Проблема бесконечностей беспокоила теоретиков в 30-е и 40-е гг., и в результате было высказано общее предположение, что квантовая электродинамика просто становится неприменимой для электронов и фотонов очень больших энергий. Значительная доля этого страха перед квантовой электродинамикой была связана с позитивистским ощущением вины: некоторые теоретики боялись, что говоря о значениях электрического и магнитного полей в той точке пространства, где находится электрон, они совершают грех, вводя в физику принципиально ненаблюдаемые элементы. Это было верно, но только тормозило открытие реального решения проблемы бесконечностей, заключающееся в том, что они сокращаются, если позаботиться об аккуратном определении массы и заряда электрона.

Позитивизм сыграл также ключевую роль в борьбе против квантовой теории поля, которую вел в 1960 г. в Беркли Джеффри Чу. Для Чу главным объектом в физике была S -матрица, таблица, в клетках которой стоят вероятности всех возможных результатов для всех возможных процессов соударения частиц. S -матрица содержит в себе все, что можно реально наблюдать, изучая реакции с любым числом частиц. Теория S -матрицы восходит к работам Гейзенберга и Джона Уилера в 30-х и 40-х гг. (S происходит от первой буквы немецкого слова Streuung , т.е. рассеяние), но Чу и его сотрудники использовали новые идеи относительно того, как вычислять S -матрицу без введения каких бы то ни было ненаблюдаемых элементов вроде квантовых полей. В конце концов эта программа провалилась, отчасти потому, что просто оказалось слишком сложно вычислять S -матрицу таким способом. Но прежде всего провал был обусловлен тем, что путь прогресса в понимании слабых и сильных ядерных сил оказался связанным с теми самыми квантовыми теориями полей, которые Чу пытался отвергнуть.

Однако самое драматическое отрицание принципов позитивизма связано с развитием современной теории кварков. В начале 60-х гг. Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо попытались упростить невероятно сложный зоопарк частиц, известных к тому времени. Они предположили, что почти все эти частицы состоят из нескольких простых (и еще более элементарных) частиц, которые Гелл-Манн назвал кварками . Поначалу эта идея казалась совершенно не выходящей за рамки обычного для физиков способа мышления – в конце концов, это был еще один шаг по пути, указанном еще Левкиппом и Демокритом и заключающемся в том, чтобы объяснять сложные структуры с помощью более простых меньших по размеру составляющих. Картина кварков была применена в 60-е гг. к огромному количеству физических задач, связанных с протонами, нейтронами, мезонами и другими частицами, предположительно состоящими из кварков, и во всех случаях привела к хорошим результатам. Однако все попытки экспериментаторов в 60-е и начале 70-х гг. вытащить кварки из тех частиц, в которых они предположительно содержатся, полностью провалились. Это выглядело ненормально

Хотя наивный механицизм, похоже, благополучно скончался, физиков продолжают тревожить другие метафизические предрассудки, особенно те, которые связаны с понятиями пространства и времени. Длительность во времени – единственное, что мы способны измерить (пусть и неточно) силой одной мысли, без участия наших чувств, поэтому естественно думать, что мы можем что-то узнать о размерности времени чисто рациональным путем. Кант учил, что пространство и время не являются частями внешней реальности, а структурами, заранее существующими в нашем мозге и позволяющими связывать между собой вещи и события. Наиболее шокирующим для правоверного кантианца в теориях Эйнштейна было то, что они низвели пространство и время до уровня обычных свойств физической вселенной, которые могут меняться из-за движения (в специальной теории относительности) или тяготения (в общей теории относительности). Даже сегодня, через сто лет после создания специальной теории относительности, некоторые физики все еще полагают, что есть вещи, которые можно сказать о пространстве и времени на основе чистого рассуждения.

Такая оголтелая метафизика вышла на поверхность особенно в дискуссиях о происхождении Вселенной. Согласно стандартной теории Большого взрыва, Вселенная возникла в состоянии бесконечно большой температуры и плотности около десяти–пятнадцати миллиардов лет тому назад. Каждый раз, когда я рассказывал о теории Большого взрыва и дело доходило до вопросов и ответов, кто-нибудь в аудитории обязательно начинал доказывать, что идея начала абсурдна: какой бы момент времени мы ни назвали началом, всегда должен быть момент перед этим. Я всегда пытался объяснять, что это необязательно должно быть так. Например, мы знаем из нашего повседневного опыта, что как бы холодно ни было, всегда может быть еще холоднее, но все-таки существует такое понятие, как абсолютный нуль температуры. Мы не можем достичь температуры ниже абсолютного нуля не потому, что недостаточно умны, а потому, что температура ниже абсолютного нуля просто не имеет смысла. Стивен Хокинг предложил, может быть, еще лучшую аналогию: вполне имеет смысл вопрос о том, что находится севернее Остина, Кембриджа или любого другого города, но не имеет смысла вопрос о том, что находится севернее Северного полюса. Блаженный Августин в «Откровении» вступил в ставшую знаменитой схватку с этой проблемой и пришел к выводу, что вопрос о том, что было перед тем, как Бог создал Вселенную, неверен, так как Бог, сам находящийся вне времени, создал время вместе с самой Вселенной. Такой же точки зрения придерживался Моисей Маймонид.

Наибольшие затруднения причиняет современной физике не метафизика, а эпистемология, учение о природе и источниках знания. Эпистемологическая доктрина, называемая позитивизмом (или в некоторых трудах логическим позитивизмом), утверждает не только то, что окончательной проверкой любой теории является ее сопоставление с экспериментальными данными (с чем вряд ли кто будет спорить), но и то, что каждое понятие в наших теориях должно в каждом пункте ссылаться на наблюдаемые величины. Это означает, что хотя физические теории могут включать понятия, все еще не изученные экспериментально, и которые не будут изучены ни в этом году ни в следующем по причине дороговизны исследований, совершенно недопустимо включать в наши теории понятия и элементы, которые в принципе нельзя никогда наблюдать.

Несмотря на ценность позитивизма для Эйнштейна и Гейзенберга, он все же принес столько же плохого, сколько хорошего. Тем не менее, в противоположность механистическому мировоззрению, позитивизм сохранил героическую ауру, так что он еще принесет много неприятностей в будущем. Джордж Гейл даже возлагает именно на позитивизм ответственность за теперешнее отчуждение между физиками и философами.

Позитивизм стал основой оппозиции атомной теории в начале ХХ в. В XIX в. были блистательно возрождены старые идеи Демокрита и Левкиппа о том, что все вещество состоит из атомов. Джон Дальтон, Амадео Авогадро и их последователи объяснили на основе атомной теории правила химии, свойства газов и природу теплоты. Атомная теория стала частью общепринятого языка физики и химии. Однако позитивисты во главе с Махом рассматривали это как отступление от истинных процедур научного исследования, поскольку никакая техника, которую только можно было в те времена вообразить, не позволяла наблюдать атомы непосредственно. Позитивисты декларировали, что ученые должны сосредоточиться на сообщении результатов наблюдений, например, что при соединении двух объемных частей водорода с одной объемной частью кислорода образуется водяной пар, но не должны забивать головы метафизическими рассуждениями, будто это происходит потому, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, так как никто не может наблюдать эти атомы или молекулы. Сам Мах так никогда и не смирился с существованием атомов. Уже в 1910 г., когда атомизм был принят практически всеми, Мах, в полемике с Планком, писал, что «если вера в реальность атомов является столь критической, тогда я отказываюсь от физического образа мышления. В этом случае я не могу оставаться физиком-профессионалом и отказываюсь от своей научной репутации».

Сопротивление атомизму имело особенно печальные последствия в случае с задержкой признания статистической механики, редукционистской теории, в которой теплота интерпретируется с помощью статистического распределения энергий частей любой системы. Развитие этой теории в трудах Максвелла, Больцмана, Гиббса и др. было одним из триумфов науки XIX в., так что отрицая ее, позитивисты совершили самую худшую из возможных ошибок, какую только может сделать ученый: не заметить успеха, когда он случается.

Позитивизм причинил неприятности и в менее известных случаях. Знаменитый опыт, поставленный Дж.Дж. Томсоном, считается большинством людей опытом по открытию электрона. (Томсон был преемником Максвелла и Рэлея в качестве Кавендишевского профессора в Кембриджском университете.) В течение ряда лет физики были озадачены таинственным явлением катодных лучей, которые испускаются, когда металлическая пластинка, помещенная в откачанную стеклянную трубку, подключается к отрицательному полюсу мощной электрической батареи. Эти лучи проявляются в виде светящегося пятна, оставляемого на противоположной стороне трубки. Кинескопы – экраны современных телевизоров – представляют собой не что иное, как катодные трубки, в которых интенсивность катодных лучей управляется сигналами, посылаемыми с телевизионных станций. Когда в XIX в. катодные лучи были впервые обнаружены, никто не знал, что они собой представляют. Затем Томсон измерил, как отклоняются катодные лучи электрическим и магнитным полями, проходя внутри трубки. Оказалось, что величина отклонения траектории этих лучей от прямолинейной согласуется с гипотезой, что лучи состоят из частиц, переносящих определенную величину электрического заряда, имеющих определенную массу и совершенно одинаковое отношение величины массы к величине заряда. Поскольку масса частиц оказалась намного меньше массы атомов, Томсон пришел к выводу, что эти частицы являются фундаментальными составными частями атомов и носителями электрического заряда во всех электрических токах, будь то в атомах, катодных трубках или проводниках.
Продолжение на картинке