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

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

Маме

Небеса таят ощущение чуда.

И мне хотелось верить,

Что я буду подхвачена,

Когда обессилю.

САРА МАКЛАКЛЭН «ТИШИНА»

Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray by Sabine Hossenfelder

Copyright © 2018 by Sabine Hossenfelder. All rights reserved.

© Якименко А. О., перевод на русский язык, 2021

© ООО «Издательство «Эксмо», 2021

Предисловие

Они были так уверены – на все сто. Десятилетиями физики говорили нам, что знают, откуда ждать следующих открытий. Они строили ускорители, запускали спутники в космос и устанавливали детекторы в шахтах. Мир накалялся от зависти к физике[1]1
  Зависть к физике (на англ. physics envy) – осудительное выражение, которое используют, критикуя стремление «гуманитарных» наук походить на физику, то есть казаться более «строгими», за счет злоупотреблений путаной терминологией и вычурной математикой. – Прим. перев.


[Закрыть]. Однако чаемых прорывов не происходило. Эксперименты не давали ничего нового.

Подвела физиков не математика, а их выбор математики. Они полагали, что мать-природа изящна, проста и щедра на подсказки. Думали, что могут слышать ее шепот, разговаривая с самими собой. И вот природа заговорила – и не сказала ни-че-го, четко и ясно.

Теоретическая физика – это стандартная математически мудреная, трудная для понимания научная дисциплина. Но для книги о математике здесь будет очень мало математики. Отбросьте уравнения и технические термины – и физика станет поиском смысла, исканиями, принявшими неожиданный оборот. Какие бы законы природы ни управляли нашей Вселенной, они не такие, как физики думали. Не такие, как думала я.

В книге рассказывается о том, как эстетическая оценка направляет современные исследования. Это моя собственная история, размышления о применении того, чему меня учили. Но также и история многих других физиков, мучающихся тем же противоречием: мы верим, что законы природы красивы, но разве верить во что-либо – это не то, чего ученый делать не должен?

Глава 1
Тайные законы физики

В которой я осознаю, что больше не понимаю физики. Я беседую с друзьями и коллегами, вижу, что не одна в замешательстве, и решаю вернуть на землю здравый смысл.

Серьезная проблема хорошего ученого

Я изобретаю новые законы природы, этим я зарабатываю на жизнь. Я одна из примерно десяти тысяч исследователей, чья задача – улучшить наши теории в физике элементарных частиц. В храме знаний мы те, кто копает в подвале, изучая фундамент. Мы обследуем трещины – подозрительные изъяны действующих теорий – и, когда что-то находим, зовем экспериментаторов разрыть более глубокие слои. В прошлом столетии такое разделение труда между теоретиками и экспериментаторами работало очень хорошо. Но моему поколению жестоко не везет.

Я уже двадцать лет в теоретической физике, и большинство людей из тех, кого я знаю, делают карьеру, исследуя вещи, которые никто никогда не видел. Они придумали немыслимые новые теории, вроде идеи, что наша Вселенная – лишь одна из бесконечно многих, составляющих вместе «мультивселенную». Они изобрели десятки новых частиц, заявили, будто мы проекции пространства большей размерности, а само пространство испещрено кротовыми норами, соединяющими отдаленные области.

Эти идеи крайне противоречивы – и все же чрезвычайно популярны, спекулятивны – но интригующи, красивы – но бесполезны. Большинство из них так трудно проверить, они практически непроверяемы. Остальные непроверяемы даже теоретически. Но роднит эти теории то, что они сформулированы теоретиками, убежденными, будто их математика содержит некий элемент истины о природе. Они верят, что их теории слишком хороши, чтобы не быть правдой.

Изобретению новых законов природы – разработке теорий – не учат на занятиях; как придумывать новые законы природы – не объясняют в книгах и пособиях. Частично физики научаются этому, осваивая историю науки, но преимущественно впитывают это умение от старших коллег, друзей и наставников, руководителей и рецензентов. В основном это передающийся из поколения в поколение опыт, нажитое тяжелым трудом чутье на то, что работает. Когда физиков просят оценить перспективы новоизобретенной, но еще не проверенной теории, они опираются на понятия естественности, простоты (или элегантности) и красоты. Эти тайные законы вездесущи в основаниях физики. Они неоценимы. И находятся в острейшем конфликте с требованием научной объективности.

Тайные законы сослужили нам плохую службу. Хотя мы и предложили множество новых законов природы, все они остались неподтвержденными. И пока я наблюдала, как моя профессия соскальзывает в кризис, я соскользнула в свой собственный, персональный кризис. Я больше не уверена, что то, чем мы занимаемся в основаниях физики, – наука. А если это не наука, зачем я даром теряю свое время?

* * *

Я пришла в физику, потому что не понимаю человеческого поведения. Я пришла в физику, потому что математика прямолинейна, говорит все так, как есть. Мне нравились точность, недвусмысленность математики, ее главенство над природой. Два десятилетия спустя понять физику мне мешает то, что я все еще не понимаю человеческого поведения.

«Мы не можем сформулировать точные математические правила, которые определяли бы, привлекательна некая теория или нет, – говорит Джан Франческо Джудиче. – Но удивительно, как красота и элегантность теории повсеместно признаются людьми разных культур. Когда я говорю вам: “Смотрите, у меня вышла новая статья, и моя теория красива”, мне не нужно объяснять вам тонкости теории – вы и так поймете, почему я взволнован. Правильно?»

Я не понимаю. Потому-то и завела этот разговор. С чего бы законам природы тревожиться о том, что я нахожу красивым? Подобная связь между мной и Вселенной кажется абсолютно мистической, абсолютно нереальной, слишком чуждой мне.

Но ведь Джан не думает, будто природе не все равно, что я нахожу красивым, – ей важно, что он считает красивым.

«Чаще всего это интуитивное чувство, – говорит он, – ничего такого, что можно было бы выразить в математических терминах. Как говорится, физическая интуиция. Существует важное различие в том, как физики и математики видят красоту. Правильная комбинация из объяснения эмпирических фактов и использования фундаментальных принципов – вот что делает физическую теорию успешной и красивой».

Джан работает[2]2
  Сейчас он руководит этим отделением. – Прим. перев.


[Закрыть] на теоретическом отделении ЦЕРН (CERN, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Европейская организация по ядерным исследованиям). В ЦЕРН функционирует самый крупный на сегодня ускоритель частиц на встречных пучках – Большой адронный коллайдер. Стоившее 6 миллиардов долларов 16-мильное подземное кольцо для ускорения протонов и сталкивания их друг с другом почти на скорости света обеспечивает нам максимальное приближение к элементарным строительным блокам материи.

Большой адронный коллайдер – это объединение экстремальностей: сверхохлажденные магниты, сверхвысокий вакуум, компьютерные кластеры, которые во время экспериментов записывают около трех гигабайт данных – что сравнимо с несколькими тысячами электронных книг – в секунду. Большой адронный коллайдер объединил тысячи ученых, десятилетия исследований и миллиарды высокотехнологичных компонентов ради одной цели – выяснить, из чего мы сделаны.

«Физика – игра хитроумная, – продолжает Джан. – И для того чтобы выяснить ее правила, требуется не только рациональность, но и субъективная оценка. По мне, так именно эта иррациональная составляющая и делает физику интересной и волнующей».

Я звоню из своей арендованной квартиры, вокруг громоздятся картонные коробки. Моя работа в Стокгольме подошла к концу – пора двигаться дальше и искать следующий исследовательский грант.

Когда я окончила университет, то думала, что научное сообщество станет для меня домом, семьей единомышленников, стремящихся понять природу. Однако я начала все больше и больше отдаляться от коллег, которые, с одной стороны, проповедуют важность беспристрастных эмпирических суждений, а с другой – применяют эстетические критерии для защиты своих любимых теорий.

«Когда вы отыскиваете решение проблемы, над которой работали, вы чувствуете некое возбуждение, – говорит Джан. – Это тот момент, когда вы неожиданно начинаете видеть структуру, вырисовывающуюся за вашими рассуждениями».

Исследования Джана сосредоточены на разработке новых теорий, сулящих решение проблем в уже существующих теориях физики элементарных частиц. Он придумал метод, позволяющий в количественной форме определить, насколько естественна теория, – математический показатель, по которому можно выяснить, насколько теория опирается на невероятные случайности ¹. Чем естественнее теория, тем меньше она требует случайностей и тем она привлекательнее.

«Ощущение красоты физической теории словно “встроено” в наш мозг, это не социальный конструкт. Оно задевает некую внутреннюю струну, – говорит Джан. – Когда вы наталкиваетесь на красивую теорию, у вас возникает та же эмоциональная реакция, что и перед произведением искусства».

Не то чтобы я не знала, о чем он говорит, я просто не понимаю, почему это имеет значение. Сомневаюсь, что мое чувство прекрасного – надежный проводник в мире фундаментальных законов природы, законов, что определяют поведение объектов, непосредственным чувственным восприятием которых я не обладаю, никогда не обладала и никогда обладать не буду. Для того чтобы быть «встроенным» в мой мозг, оно должно было приносить пользу в ходе естественного отбора. Но какое эволюционное преимущество может давать понимание квантовой гравитации?

И хотя создание чего-то красивого – это достойное ремесло, наука – не искусство. Мы стараемся разработать теории не для того, чтобы вызвать эмоциональные реакции, мы ищем объяснений тому, что наблюдаем. Наука – это организованная деятельность, направленная на то, чтобы преодолеть ограничения когнитивных способностей человека и избежать заблуждений интуиции. Наука вообще не об эмоциях, она о числах и уравнениях, данных и графиках, фактах и логике.

Думаю, мне хотелось, чтобы Джан доказал мою неправоту.

Когда я спросила его, как он расценивает последние данные с Большого адронного коллайдера, он произнес: «Мы так обескуражены…» Наконец-то что-то мне понятное.

Неудача

В первые годы работы Большой адронный коллайдер добросовестно преподнес нам частицу, названную бозоном Хиггса, существование которой было предсказано еще в 1960-е годы. Мои коллеги и я возлагали большие надежды на проект, стоивший миллиарды долларов, – рассчитывали, что он сделает нечто большее, чем просто подтвердит то, в чем никто и не сомневался. Мы обнаружили несколько многообещающих «трещин в фундаменте», убедивших нас, что Большой адронный коллайдер породит также другие, пока неизвестные частицы. Мы ошиблись. Большой адронный коллайдер не увидел ничего, что подкрепило бы наши новоизобретенные законы природы.

Нашим друзьям-астрофизикам повезло не намного больше. В 1930-х годах они обнаружили, что скопления галактик содержат гораздо больше массы, чем все видимое вещество, вместе взятое, вообще может дать. Даже если допустить большую погрешность данных, требуется новый тип материи – «темная материя», – чтобы объяснить наблюдения. Появились доказательства гравитационного воздействия темной материи, так что мы уверены: она существует. Но из чего она состоит – остается загадкой. Астрофизики считают, что из каких-то типов частиц, которых нет на Земле, частиц, не поглощающих и не испускающих свет. Они придумали новые законы природы, неподтвержденные теории, чтобы руководить строительством детекторов, призванных проверить их идеи. Начиная с 1980-х годов десятки экспериментальных команд охотятся за этими гипотетическими частицами темной материи. И до сих пор их не обнаружили. Новые теории так и остаются неподтвержденными.

Уныла ситуация и в космологии, где физики безуспешно пытаются понять, что заставляет Вселенную расширяться все быстрее и быстрее. Это наблюдение приписывается влиянию «темной энергии». Космологи могут математически показать, что загадочная причина – не более чем энергия, которую содержит вакуум, и тем не менее они не в силах вычислить количество этой энергии. Это одна из «трещин в фундаменте», куда физики стараются заглянуть, но пока им не удалось разглядеть ничего, что говорило бы в пользу новых теорий, разработанных для объяснения темной энергии.

В то же самое время в области квантовых основ наши коллеги хотят улучшить теорию, у которой вообще нет изъянов. Они действуют из убеждения, согласно которому с математическими структурами, не соотносящимися с измеримыми величинами, что-то не так. Их раздражает, что, как жаловались Ричард Фейнман, Нильс Бор и другие выдающиеся физики прошлого столетия, «квантовой механики никто не понимает». Исследователи оснований квантовой физики хотят изобрести теории получше, веря, как и все остальные, что находятся на верном пути. Увы, все эксперименты подтвердили предсказания непонимаемой теории минувшего века. А что же насчет новых теорий? Все они по-прежнему остаются непроверенными предположениями.

Колоссальные усилия были затрачены на эти провалившиеся попытки обнаружить новые законы природы. Уже больше тридцати лет мы не можем усовершенствовать фундаментальные основы физики.

* * *

Итак, вы хотите знать, что удерживает мир, как возникла Вселенная и какие правила руководят нашим существованием? Ближе всего вы подберетесь к ответам на эти вопросы, если последуете за фактами вплоть до «подвала» науки. Идите до тех пор, пока факты не станут скудными и дорогу вам не преградят теоретики, спорящие, чья теория красивее. Тогда-то вы и поймете, что достигли фундаментальных положений.

Фундаментальные положения физики – это те составные части наших теорий, которые, несмотря на все, что мы сегодня знаем, не могут быть выведены из чего-то более простого. Сейчас на этом самом нижнем уровне у нас есть пространство, время и двадцать пять частиц – вместе с уравнениями, описывающими их поведение. Объекты моей области исследований – частицы, которые двигаются в пространстве и времени, иногда соударяясь или образуя объединения. Не думайте о них как о маленьких шариках, они не такие из-за квантовой механики (подробнее обсудим это позже). Лучше представляйте их себе облачками, способными принимать любую форму.

В основаниях физики мы имеем дело только с теми частицами, которые нельзя разделить на составные части, мы называем их «элементарными частицами». Насколько нам сегодня известно, у них нет внутренней структуры. Однако элементарные частицы умеют объединяться, образуя атомы, молекулы, белки, – и таким образом создавать грандиозное многообразие объектов, что мы видим вокруг. Именно из этих двадцати пяти частиц состоите вы, я и все остальное во Вселенной.

Но частицы сами по себе не очень интересны. Что интересно, так это отношения между ними, принципы, определяющие их взаимодействия, устройство законов, породивших Вселенную и создавших возможности для нашего существования. В нашей игре нас заботят правила, не фишки. И самый важный урок из выученных нами состоит в том, что природа играет по правилам математики.

Сделано из математики

В физике теории сделаны из математики. Мы прибегаем к математике не потому, что хотим отпугнуть тех, кто незнаком с дифференциальной геометрией или градуированными алгебрами Ли, мы используем ее, ибо глупы. Математика заставляет нас быть честными – не дает нам соврать ни самим себе, ни друг другу. С математикой вы можете ошибаться, но не лгать.

Наша задача как теоретических физиков – разрабатывать такую математику, которая объясняла бы существующие наблюдения и позволяла делать предсказания, чтобы направлять экспериментальную работу. Использование математики в разработке теорий обеспечивает логическую строгость и внутреннюю согласованность, гарантирует, что теории непротиворечивы, а результаты воспроизводимы.

Успех математики в физике был грандиозным – и поэтому сейчас все неукоснительно придерживаются такого стандарта качества. Теории, разрабатываемые нами сегодня, представляют собой набор предположений – математических соотношений или определений – вместе с интерпретациями, которые связывают математику с наблюдаемыми в реальном мире величинами.

Однако мы не строим теории, записывая допущения, а затем выводя наблюдаемые следствия в виде последовательного ряда теорем и доказательств. В физике теории почти всегда начинают свой путь как разрозненные лоскутки идей. Разгребать бардак, разводимый физиками при разработке теорий, и находить точный набор предположений, из которого может быть получена цельная теория, часто достается нашим коллегам, специализирующимся на математической физике – области математики, не физики.

В целом физики и математики неплохо договорились о разделении труда: первые жалуются на дотошность вторых, а вторые возмущаются небрежностью первых. Впрочем, с обеих сторон мы точно знаем, что прогресс в одной области подгоняет прогресс в другой. Начиная с теории вероятностей и теории хаоса и заканчивая квантовыми теориями поля, лежащими в основе современной физики элементарных частиц, математика и физика всегда шли рука об руку.

Но физика – не математика. Помимо внутренней непротиворечивости (не должно получаться выводов, противоречащих друг другу) от успешной теории также требуется согласованность с результатами наблюдений (не должно быть противоречий с данными). Для области физики, в которой работаю я, где мы имеем дело с самыми фундаментальными вопросами, это требование жесткое. Существует так много данных, что выполнять все необходимые вычисления для свежепредложенных теорий попросту невозможно. А еще и нецелесообразно, поскольку можно срезать путь: мы сначала демонстрируем, что новая теория согласуется с хорошо подтвержденными старыми в пределах погрешности измерений, и тем самым воспроизводим результаты старых теорий, а затем нам остается только добавить вычисления для того, что еще новая теория в силах объяснить.

Показать, что новая теория воспроизводит все достижения успешных старых, порой чрезвычайно сложно. А все потому, что новая теория может использовать совершенно иной математический аппарат, совсем не похожий на аппарат старой теории. Чтобы исхитриться продемонстрировать, что обе тем не менее дают одинаковые предсказания для уже сделанных наблюдений, часто требуется отыскать подходящий способ переформулировать новую теорию. Это несложно в тех случаях, когда новая теория напрямую заимствует математику старой, но задача оборачивается огромной проблемой, если используется принципиально новый математический аппарат.

Эйнштейн, например, бился не один год, чтобы доказать, что общая теория относительности, его новая теория гравитации, воспроизводит успехи предшественницы – теории тяготения Ньютона. Проблема состояла не в том, что теория Эйнштейна была неверна, – он не знал, как в ней найти ньютоновский гравитационный потенциал. Вся математика у него была правильной, но отсутствовало отождествление с реальным миром. Только после нескольких неудачных попыток он нащупал верный способ это сделать. Правильная математика – лишь часть правильной теории.

Есть и другие причины, почему мы используем математику в физике. Кроме того, что она не дает нам соврать, математика – это также самая экономичная и четкая терминология из известных. Язык пластичен, он зависит от контекста и интерпретации. А математике нет дела до культуры и истории. Если тысяча человек прочтет книгу, они прочтут тысячу разных книг. Но если тысяча человек прочтет уравнение, они прочтут одно и то же уравнение.

Главная же причина, по которой мы используем математику в физике, – потому что можем.

Зависть к физике

Хотя логической непротиворечивости научная теория требует всегда, не все дисциплины поддаются математическому моделированию: использование столь строгого языка не имеет смысла, если данные не отвечают требованиям строгости. И из всех научных дисциплин физика работает с самыми простыми системами и потому идеально подходит для математического моделирования.

В физике предметы исследования высоко воспроизводимы. Мы хорошо понимаем, как контролировать экспериментальные условия и какими эффектами можно пренебречь без ущерба для точности. Результаты, например, в психологии трудно воспроизвести, поскольку нет двух одинаковых людей и редко когда точно известно, какие человеческие особенности могут сыграть свою роль. А вот в физике такой проблемы у нас нет. Атомы гелия не могут проголодаться и так же уравновешенны по понедельникам, как и по пятницам.

Подобная четкость и делает физику столь успешной, но она же делает физику еще и такой сложной. Непосвященным обилие формул часто кажется неприступной крепостью, однако умение с ними обращаться – вопрос образования и привычки. Физику делает сложной не осмысление математики. Настоящая трудность в том, чтобы найти правильную математику. Нельзя просто взять что-то похожее на математику и назвать это теорией. Требование, чтобы новая теория была непротиворечивой – как внутренне согласованной, так и согласующейся с экспериментом (со всеми и каждым!), – вот что делает физику такой непростой.

Теоретическая физика – это продвинутая, хорошо развитая область. Теории, с которыми мы сегодня работаем, выдержали великое множество экспериментальных проверок. И всякий раз, как они с честью проходили очередное испытание, становилось чуть сложнее что-либо в них улучшить. Новая теория должна обеспечивать успех всех действующих теорий да еще и быть немножко лучше.

Пока физики разрабатывали теории, чтобы объяснять результаты существующих или намечающихся экспериментов, успех означал получение правильных чисел при наименьшей затрате усилий. Но чем больше наблюдений наши теории могли объяснить, тем труднее становилось проверить предполагаемое усовершенствование. Прошло двадцать пять лет между предсказанием и обнаружением нейтрино, понадобилось почти пятьдесят лет, чтобы засвидетельствовать бозон Хиггса, и столетие – чтобы напрямую детектировать гравитационные волны. Теперь время, необходимое для проверки нового фундаментального закона природы, может превышать продолжительность карьеры ученого. Это вынуждает теоретиков помимо эмпирической адекватности полагаться еще и на иные критерии, чтобы решить, какой тропой дальше следовать. Эстетическая привлекательность – один из таких критериев.

В нашем поиске новых идей красота играет много ролей. Она ориентир, награда, стимул. И она же – систематическая ошибка.