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

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.