Текст книги "Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик. Сабина Хоссенфельдер. Саммари"

Smart Reading
Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик. Сабина Хоссенфельдер. Саммари

Оригинальное название:

Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray

Автор:

Sabine Hossenfelder

www.smartreading.ru

Ученые любят естественность – но так ли это важно?

Физика[1]1
  «Семь этюдов по физике», Карло Ровелли.


[Закрыть] – наука о нашей Вселенной, а математика – язык, с помощью которого физика ее описывает. Физики стремятся найти порядок во Вселенной через математику, мечтая о заветной «теории всего» – красивой, элегантной и полной ответов, выраженных в совершенных уравнениях. Математическая стройность давно стала негласным критерием научной истины. Сабина Хоссенфельдер[2]2
  «Экзистенциальная физика. Руководство ученого по самым важным вопросам жизни», Сабина Хоссенфельдер.


[Закрыть] видит в этом большую проблему: одержимость красотой уводит науку от реальных данных, которые не всегда вписываются в наши эстетические рамки.

Что такое естественность и точная настройка

Естественность в физике – это идея о том, что теория должна совпадать с наблюдениями «сама по себе», а не быть результатом точной настройки параметров, чтобы соответствовать экспериментальным данным. Если отклонение одного из параметров приводит к несоответствию с экспериментом, значит, параметры теории подогнаны для соответствия наблюдаемым значениям. Такая теория считается неестественной, или точно настроенной.

Классический пример точной настройки – масса бозона Хиггса в Стандартной модели. Согласно математическим вычислениям, квантовые флуктуации[3]3
  Стандартная модель в физике – теоретическая конструкция, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Квантовые флуктуации – это кратковременные изменения энергии, которые происходят на мельчайших масштабах пространства и времени.


[Закрыть] вносят огромный вклад в его массу, и она превышает наблюдаемую в экспериментах (~125 ГэВ) в 1014 раз. Чтобы объяснить такое расхождение, в расчеты приходится вносить корректировки, что считается проявлением неестественности теории.

Естественность использовалась в качестве ориентира при разработке теорий с XVI века. Изначально это был вопрос эстетики: пропорций, симметрии и порядка.

Тихо Браге отвергал гелиоцентризм – вращение Земли вокруг Солнца – поскольку, по его наблюдениям, звезды в небе не двигаются (их движение смогли измерить только в XIX веке). По его мнению, это означало, что либо сама Земля не двигается в течение года, либо звезды находятся намного дальше, чем Солнце и другие планеты. Второй вариант Тихо Браге отверг, потому что он требовал «неестественно» больших чисел. Теперь мы знаем, что нет ничего неестественного в огромных расстояниях Вселенной.

Иоганн Кеплер пришел к выводу, что модель Солнечной системы, в которой планеты движутся вокруг Солнца по круговым орбитам, неверна. Его новая теория – планеты движутся вокруг Солнца по эллипсам, а не по окружностям – была встречена с неодобрением, потому что не соответствовала стандартам красоты и естественности. Его критиковали Галилео Галилей и Давид Фабрициус. Но Кеплер оказался прав.

Ученые защищают эстетический критерий. Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг считает, что красота теории свидетельствует о профессиональной интуиции ученого, который, ввиду своего опыта, считает теории красивыми, поскольку они верны.

Вайнберг любит проводить аналогию с разведением лошадей.

Когда опытный коневод называет лошадь красивой, за этим стоит нечто большее, чем просто эстетика, – красивые, по его мнению, лошади выигрывают скачки.

Хоссенфельдер возражает: точно так же, как опыт с лошадьми не поможет при создании автомобиля, наш опыт в отношении того, что «красиво» в физике (и математике), может основываться на устаревших идеях – достаточно вспомнить, как аргументы в пользу красоты уже подводили нас в прошлом. Нужно отталкиваться в первую очередь от наблюдений, а не ожиданий.

Как красота стала математическим критерием

В XX веке эстетические принципы превратились в математические требования. Теперь физики-теоретики используют простоту, естественность и элегантность математических уравнений в качестве критериев оценки теорий.

Считается, что любая теория, содержащая неестественные числа – далекие от единицы, слишком большие или слишком малые, слишком близкие друг к другу, – сама по себе неестественна. Как именно далеко от единицы должно находиться число, зависит от субъективного мнения ученого, не без иронии подмечает Хоссенфельдер.

Математика бесполезна без данных

Действительно, в физике теории строятся на основе математики[4]4
  «Исправляя математику. Образовательный план для эпохи искусственного интеллекта», Конрад Вольфрам.


[Закрыть]. Она объективна и беспристрастна, и многие прорывные теории и правда отличаются математической элегантностью.

Теория относительности Эйнштейна, в корне изменившая наши взгляды на время и пространство, не только красива, но и точно описывает реальность.

Закономерно полагать, что именно красота математической структуры – признак истины, с этим согласны многие выдающиеся ученые. Почему же автор категорически против?

Важно понимать, что прошлые успехи часто выглядят красиво в ретроспективе. Мы ищем красоту до того, как найдем доказательства, – но новые идеи становятся красивыми только после того, как их докажут экспериментально.