Текст книги "Эта идея должна умереть. Научные теории, которые блокируют прогресс"

Частица Хиггса закрывает главу в физике частиц
Хаим Харари

Физик, председатель правления Дэвидсоновского института научного образования, бывший президент Института Вейцмана. Автор книги A View from the Eye of the Storm («Вид из глаза бури»).

Обнаружение частицы Хиггса (она же Божественная частица, она же, по словам Леона Ледермана, Дьявольская частица) предположительно закрывает главу в утверждении Стандартной модели физики частиц – так, во всяком случае, можно прочесть в газетах и услышать в заявлениях из Стокгольма. Теоретическое предсказание этой частицы в середине 1960-х и в самом деле было важным шагом в развитии Стандартной модели. Но в действительности ее обнаружение не отвечает ни на один из остающихся открытыми вопросов, которые не дают покоя теоретикам модели последние 30 лет.

Природа учит нас, что все сущее (впрочем, не все – как насчет темной материи и темной энергии?) сделано из 6 типов кварков (почему 6?) и 6 типов лептонов (почему тоже 6? почему то же самое число?). Они выстроены по четкому шаблону, который в точности повторяется (почему?) 3 раза (почему 3?). Все частицы этой дюжины типов частиц имеют положительный или отрицательный электрический заряд, точно кратный одной трети заряда электрона с множителем 0, 1, 2 или 3 (почему только эти и никакие другие заряды? И почему заряд кварка вообще связан с зарядом лептона?). Массы частиц могут быть описаны только примерно 20 свободными параметрами, не связанными друг с другом и, кажется, взятыми из результатов некой причудливой космической лотереи, различаясь между собой почти на 10 порядков.

Да, теория Хиггса дает нам соблазнительный механизм, который позволяет частицам получить массу и перестать быть безмассовыми. Но как раз это создает проблему. Почему именно эти массы? Кто выбрал именно эти цифры и почему? Может ли быть такое, что вся физика – и, соответственно, вся наука – основывается на том, что вся материя Вселенной создана из дюжины объектов с совершенно случайной массой, причем ни у кого нет ни малейшего представления об их происхождении?

Эти загадочные параметры массы предположительно отражают ту силу, в которой частица Хиггса «спаривается» с кварками и лептонами. Но это все равно что сказать, что вес дюжины людей отражает тот факт, что, когда они встают на весы, на шкале появляются определенные цифры. Не очень-то удовлетворительное объяснение. Основной вопрос Стандартной модели – тот же, что и вообще у физики: «А что дальше?» Что-то должно последовать за Стандартной моделью, что-то, что разрешит загадку темной материи, темной энергии, массы частиц и их простого, четкого и систематически повторяющегося шаблона.

Частица Хиггса не дает абсолютно ничего нового для решения этих загадок, если только не принять в качестве окончательного ответа, что частица Хиггса – это действительно Божественная частица и что исключительно по Божественному произволению частицы имеют такие именно массы, а не другие. Или, возможно, это не один Бог, а дюжина богов с разными числовыми предпочтениями. Хорошая новость состоит в том, что впереди нас ждут захватывающие открытия, которые расшифруют базовую структуру всего сущего за пределами той временно́й картины, которую предлагает нам Стандартная модель. У нас еще точно нет Теории Всего – еще и близко не лежало.

Эстетическая мотивация
Сара Демерс

Физик, доцент Йельского университета.

У Стандартной модели физики частиц есть эстетические недостатки, которые заставляют нас спрашивать: почему в ней так много свободных параметров? Почему не существует единой, элегантной фундаментальной силы, которая отвечает за все силы? Почему имеется именно по три поколения у кварков и у лептонов? Почему, раз уже механизм возникновения масс у элементарных частиц нами открыт, взаимодействие всех прочих полей с полем Хиггса так сильно отличается от всех прочих взаимодействий, порождая такой огромный диапазон масс? Почему возникает еще более растянутый диапазон фундаментальных взаимодействий? Потенциальная опасность, которую заключает в себе каждый из этих вопросов, заключается в ответе: «Просто так уж это устроено».

Помимо этой эстетической озабоченности, мы видим противоречия между предсказанием и наблюдением в исследованной Вселенной. Мы пока не нашли источник энергии, которая питает ускоряющееся расширение; нам не хватает барионной материи для того, чтобы объяснить астрономические наблюдения. Мы живем в большом кармане этой материи, который не должен был бы пережить аннигиляцию. Куда бы мы ни посмотрели, мы везде видим доминирование материи над антиматерией – и не видим подходящей причины, которая могла бы объяснить эту асимметрию. Может быть, мы никогда не найдем решений этого набора проблем, но очевидно, что каждая из них требует как минимум дополнительной настройки, а еще лучше – фундаментальной переработки существующих моделей. То есть недостатком изящества дело не исчерпывается.

Экспериментаторы, и я в том числе, пытаются построить эстетически мотивированные (или хотя бы отчасти эстетически мотивированные) теории. После нескольких лет работы Большого адронного коллайдера на грани достижимых энергий и множества точнейших измерений, проведенных над частицами, ядрами и атомами во всем мире, в пространстве параметров «новой физики» были исключены целые обширные области. Теоретики реагировали на это поворотами и дилатациями в своих моделях, приспосабливая их к новым условиям и вынуждая нас работать во все более сложных условиях эксперимента.

Такой обмен казался полезным и определенно был забавным. Тесное взаимодействие обеспечило быстрый прогресс в проверке новых идей. Хотя поиски физики не-Стандартной модели привели скорее к новым ограничениям, нежели к открытию, это было захватывающе интересно – проводить измерения, которые могли бы дать свидетельства в пользу Теории Великого Объединения – то есть теории, которая, в отличие от Стандартной модели, объединившей три фундаментальных взаимодействия, объединила бы все четыре. Однако в нашу эру ограниченных ресурсов требуется более скрупулезная работа мысли. Самое время критически пересмотреть наши теоретические основы.

Включение доводов красоты в научный инструментарий позволило совершить огромные скачки вперед. Стремление к элегантности решений снова и снова помогало ученым открывать основополагающие структуры. Именно благодаря красоте науки многие из нас решили стать учеными. Я не хочу сказать, что мы должны навсегда отказаться от эстетического аргумента. Но в физике частиц мы сейчас переживаем период, очень богатый новыми данными – после многих лет, когда эти данные были весьма скудны (во всяком случае, на переднем крае изучения энергии).

В научной практике сейчас нет ничего более важного, чем позволить этим данным сказать свое решающее слово, а данные, которыми мы располагаем, могут многое сообщить о стандартной модели. Еще больше зависит от того, какие эксперименты мы решим проводить в будущем.

На этом этапе при 96 % «темного» содержимого Вселенной (материи и энергии) было бы ошибкой считать, что эстетические соображения в качестве аргумента в пользу той или другой теории могут как-то уравновесить противоречия. У нас пока нет объяснения темной энергии, у нас нет экспериментального подтверждения существования темной материи, нам пока непонятен механизм асимметрии материя – антиматерия – пока у нас так много пробелов, нам не стоило бы так уж заботиться об элегантности. Теоретики будут продолжать искать Теорию Великого Объединения, добиваясь прогресса в том числе через развитие математики. У экспериментаторов есть возможность и обязанность указать направление для этих поисков, продолжая свою агностическую охоту за противоречиями между нашими данными и предсказаниями Стандартной модели. Разумеется, это включает и доскональное измерение новооткрытого бозона Хиггса.

Мы готовы признать, что некоторые из моделей, разработанных нашими блестящими коллегами-теоретиками, могут оказаться чем-то вроде длинного паса наудачу, который неожиданно завершается изумительным (по-настоящему изумительным!) голом. Но больше похоже на то, что на следующий, значительно более высокий уровень познания мы поднимемся не в результате случайной удачи: нас заставят туда подняться жестко, болезненно детерминированные экспериментальные данные.

Естественность, иерархия и пространство-время
Мария Спиропулу

Профессор физики, Калифорнийский технологический институт.

Концепции «естественности», иерархии и пространства-времени в том виде, в каком они сегодня приняты в физике, будут отправлены в отставку скорее раньше, чем позже.

«Стратегия» естественности и «проблема» иерархии в построении теоретических моделей для теорий, расширяющих Стандартную модель частиц и их взаимодействий (назовем ее в духе Дэвида Гросса Стандартной теорией, СТ), рассыпаются в пыль при измерениях недавно открытого хиггсоподобного бозона. Я буду называть эту частицу хиггсоподобной, пока она не будет исчерпывающе измерена на Большом адронном коллайдере. Тем не менее мы уже выдумали сценарий того, как все должно выглядеть с появлением хиггсовского элементарного скалярного поля, – сценарий, которому реальный мир, кажется, вовсе не собирается следовать.

Итак, рабство, в которое нас загнала необходимость быть «естественными», а не «тонко настроенными» (субъективные идеи, которые надо было отвергнуть уже давно), отменяется прямо на наших глазах, а путь к высокой энергии может оказаться на удивление более сложным, чем мы предполагали.

К концу этого пути (а конца может и не быть, если дорога опишет кривую и мы вернемся в исходную точку) гравитация и пространство-время тоже окажутся в беспорядочной куче старомодных, безумных физических идей и нам тоже придется их обновить – или даже вовсе от них избавиться.

Из физических идей, связанных с этой темой, может в том числе рассы́паться идея о том, что темная материя состоит из частиц. Уже на подходе масштабные революции (и открытия), касающиеся фундаментальных свойств нашей квантовой Вселенной.

Ученые должны узнать все, что поддается научному познанию
Эд Реджис

Писатель, популяризатор науки. Соавтор (с Джорджем Чёрчем) книги Regenesis («Новое сотворение мира»).

В 1993 году нобелевские лауреаты по физике Стивен Вайнберг и Леон Ледерман опубликовали книги, в которых предполагали, что строящийся в Ваксахачи, штат Техас, 54-мильный ускоритель частиц, Сверхпроводящий суперколлайдер (ССК), будет в состоянии обнаружить неуловимый бозон гипотетического скалярного поля Хиггса. Ледерман – отчасти в шутку – именовал бозон Божественной частицей (книги Вайнберга и Ледермана назывались соответственно Dreams of a Final Theory («Мечты об окончательной теории») и The God Particle («Божественная частица»)). По какому-то удивительно несчастливому совпадению обе книги вышли как раз в тот момент, когда Конгресс США принял решение окончательно и бесповоротно закрыть финансирование проекта суперколлайдера.

Может, это было и к лучшему, поскольку в 2012 году ученые обнаружили бозон Хиггса с помощью инструмента гораздо меньшего размера – 17-мильного Большого адронного коллайдера (БАК) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) под Женевой.

Новое открытие в науке часто ставит сразу несколько новых вопросов. Не стал исключением и бозон Хиггса. Почему у этой частицы именно такая масса? Не состоит ли бозон Хиггса из каких-то иных, «более элементарных», частиц, которые позволят объяснить некоторые его свойства? Может быть, помимо бозона Хиггса надо ожидать открытия еще каких-то подобных частиц? К сожалению, в теории элементарных частиц поиск ответов на подобные вопросы становится все более дорогим, непозволительно дорогим. К тому моменту, как проект ССК был отменен, его предполагаемая стоимость выросла с изначальных 3,9 млрд долларов до 11 млрд с лишним в 1991 году. Но вот насколько на самом деле ценны ответы на все новые вопросы о частице Хиггса? Например, сколько бы вы заплатили за такие ответы, если оптимистично предположить, что вы вообще способны понять вопросы типа «как бозон Хиггса объясняет (если объясняет) феномен спонтанного нарушения симметрии электрослабых взаимодействий»?

Наука уже давно достигла такого уровня, что некоторые виды нового знания можно получить только путем строительства приборов столь абсурдно космических масштабов, что это даже комично. Стоимость этих устройств также вполне космическая. В этом плане имеет смысл задаться вопросом: а действительно ли нам нужно знание, которое можно добыть только с помощью этих питающихся долларами левиафанов?

Явно не смущенные отказом Конгресса от финансирования суперколлайдера, ученые из Лаборатории Ферми (ускоритель которой был сравнительно маленьким и слабым – всего 4 мили) в 2001 году всерьез носились с идеей создания Очень Большого адронного коллайдера (ОБАК) – громадного чудища с окружностью 233 километра (145 миль). Этот исполинский объект занимал бы площадь на 400 квадратных миль больше, чем весь штат Род-Айленд.

Летом 2013 года, через год после открытия бозона Хиггса, группа физиков-специалистов по частицам собралась в Миннеаполисе и предложила создать 62-мильный коллайдер, который, как они заявили, позволил бы «изучить косвенные эффекты новой физики на W- и Z-бозоны, топ-кварк и другие системы»[25]25
  Community Planning Study: Snowmass, 2013, «Energy Frontier Lepton and Photon Colliders». – Примеч. авт.


[Закрыть]. Такие предложения множатся как спам, мусорная почта или ползучие сорняки. Но рано или поздно чаша нашего терпения переполняется – даже в науке, которая, между прочем, тоже не является какой-то священной коровой.

В конце концов, это просто глупо: платить все больше – причем платить вечно, бесконечно, снова и снова – за все меньший объем знаний о гипотетических крупинках материи, которые уводят далеко в бесконечно малое на границу с абсолютным Ничто.

Физики, занимающиеся изучением фундаментальных частиц, явно никогда не слышали ни о «пределах роста», ни о каких-либо иных пределах. Но им точно надо познакомиться с этой концепцией, потому что фундаментальное не всегда и не автоматически важнее практического. Каждый доллар, потраченный на сверкающий новый мегаколлайдер, – это доллар, который уже не может быть потрачен на другие вещи, такие как больницы, разработка вакцин, предотвращение эпидемий, помощь пострадавшим от стихийных бедствий и так далее. Ускоритель частиц размером с небольшую страну явно уходит далеко за сколько-нибудь приемлемый финансовый горизонт, и вряд ли разумно приносить в жертву столь огромные средства ради крохотных подвижек в тайном, теоретическом, почти каббалистическом знании.

В некрологе Сверхпроводящему суперколлайдеру (Good-bye to the SSC, «Прощание с ССК») историк науки Дэниел Кевлс пишет, что фундаментальные исследования в физике следует продолжать, «но не любой ценой»[26]26
  Engineering & Science, Winter 1995. – Примеч. авт.


[Закрыть]. Я с этим согласен. Некоторые научные знания просто не стоят затраченных на них средств.

Фальсифицируемость
Шон Кэрролл

Физик-теоретик, Калифорнийский технологический институт. Автор книги The Particle at the End of the Universe[27]27
  Частица на краю Вселенной / пер. Татьяны Лисовской. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015.


[Закрыть].

В мире, где научные теории часто выглядят странно и вступают в явное противоречие с интуицией, а абсурд в самом широком ассортименте пытается добиться признания в качестве «научной» истины, возникает проблема различения науки и не-науки – философы называют это «проблемой демаркации». Карл Поппер предложил знаменитый критерий фальсифицируемости: научной может считаться только такая теория, предсказания которой могут быть однажды опровергнуты.

Это ценная идея, но она далеко не полностью закрывает проблему. Поппера интересовали такие теории, как психоанализ Фрейда и политэкономия Маркса, которые он считал ненаучными. Вне зависимости от того, что на самом деле происходит с человеком или обществом, заявлял Поппер, подобные теории всегда смогут рассказать историю, в которой факты будут соответствовать теоретическим предположениям. Поппер противопоставлял им теорию относительности Эйнштейна, которая дала конкретные количественные предсказания, значительно опередившие свое время. (Одно из предсказаний общей теории относительности заключалось в том, что Вселенная должна расширяться или сжиматься, и это побудило Эйнштейна усовершенствовать теорию, потому что сначала он думал, что Вселенная на самом деле статична. Так что даже из этого примера видно, что критерий фальсифицируемости не так однозначен, как кажется.)

Современная теоретическая физика простирается в области, весьма далекие от повседневной жизни, и иногда ее связь с экспериментом становится, мягко говоря, неубедительной. Теория струн и другие подходы к проблеме квантовой гравитации включают феномены, которые, похоже, могут проявить себя только при энергиях, в громадной степени превосходящих те, которые доступны нам здесь, на Земле. Мультиверс в космологии и многомировая интерпретация квантовой механики постулируют существование реальностей, доступ к которым для нас невозможен. Некоторые ученые, опираясь на Поппера, предположили, что эти теории ненаучны, поскольку в принципе не опровергаемы.

Однако верно прямо противоположное. Независимо от того, можем ли мы их наблюдать непосредственно, объекты, которыми оперируют эти теории, либо реальны, либо нет. Отказ от рассмотрения самой возможности их существования – хотя они могут играть важнейшую роль в мироустройстве, – исходя из некоего априорного принципа, сам по себе совершенно ненаучен.

Критерий фальсифицируемости указывает на нечто истинное и важное в устройстве науки, но он превращается в слепое орудие в ситуации, которая требует тонкости и точности. Правильнее сделать акцент на двух главных чертах хорошей научной теории: однозначности ее предсказаний и возможности их экспериментальной проверки. Первое подразумевает, что теория сообщает нам нечто ясное и недвусмысленное о том, как функционирует реальность. Теория струн говорит, что в некоторых областях пространства ее параметров обычные частицы ведут себя как замкнутые или разомкнутые одномерные струны.

Релевантное пространство параметров может быть недоступным для нас, но оно является неотъемлемой частью теории. В мультиверсе обязательно должны быть области с отличными от нашей Вселенной свойствами – пусть даже для нас эти области и недостижимы. Вот что отличает подобные теории от концепций, которые Поппер пытался классифицировать как ненаучные. (Сам Поппер понимал, что научные теории должны быть опровергаемыми «в принципе», но об этом уточнении часто забывают в современных дискуссиях.)

Вторая черта хорошей научной теории требует более осторожного подхода. На первый взгляд, ее легко спутать с утверждением, что научная теория «делает предсказания, которые можно экспериментально опровергнуть». Но в реальном мире взаимоотношения между теорией и экспериментом совсем не так банальны. В конце концов, научная теория оценивается по ее способности объяснять факты – но путь к этому объяснению не обязан быть прямым.

Возьмем концепцию Мультивселенной, в которой часто видят потенциальное решение тонких проблем современной космологии. Например, мы верим, что в пустом пространстве присутствует малая, но не нулевая вакуумная энергия. Это ведущая теория для объяснения наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной, за открытие которого в 2011 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Проблема для теоретиков заключается не в том, что ненулевую энергию вакуума трудно объяснить; она в том, что предсказываемое теорией значение этой энергии значительно больше той, которую мы наблюдаем.

Если Вселенная, которую мы видим вокруг себя, – единственная, то энергия вакуума – это универсальная константа, единая для всей природы, и перед нами стоит необходимость ее объяснения. Если, с другой стороны, мы живем в Мультивселенной, то энергия вакуума может быть совершенно разной в разных ее областях (частных вселенных), и на ум сразу приходит объяснение: там, где энергия слишком велика, условия неблагоприятны для существования жизни. Срабатывает эффект отбора, и нам приходится предсказать малую величину энергии вакуума. Именно такая цепочка рассуждений привела Стивена Вайнберга к предсказанию ее величины задолго до того, как было открыто ускоренное расширение Вселенной.

Мы не можем (насколько нам известно) непосредственно наблюдать другие области Мультивселенной (частные вселенные), но их существование самым серьезным образом сказывается на том, как мы оцениваем данные в той области Мультивселенной, которую мы наблюдаем. Именно в этом смысле успех или крах теории являются абсолютно эмпирическими: ее ценность заключается не в том, что она тонко продумана или дополняет некий недостаточно ясный аргумент, а в том, что она помогает нам оценивать данные. Даже если мы никогда не посетим эти другие частные вселенные.

Наука – это не просто построение теорий бездельником, развалившимся в мягком кресле. Наука должна объяснять мир, который мы видим, создавать модели, которые согласуются с фактами. Но согласование моделей к данным – это сложный и многогранный процесс, включающий компромиссы между теорией и экспериментом, а также и постепенное развитие теоретического понимания как такового. В сложных случаях такие лозунги, как «теория должна быть опровергаема», способные уместиться на записочке из китайского печенья с предсказанием, не могут заменить ответственных размышлений о том, как работает наука. К счастью, наука идет вперед, по большей части не обращая внимания на любительское философствование. Если теория струн и теории Мультивселенной помогают нам понять мир, то их признание будет расти. Если они окажутся слишком неопределенными или появятся лучшие теории, то от них откажутся. Этот процесс может быть беспорядочным, но наш главный проводник – сама природа.