Экскурс в современную физику

ЭКСКУРС В СОВРЕМЕННУЮ ФИЗИКУ

В традиционно издающихся УО МАНЭБ научно-технических бюллетенях серии: Экология, Экономика, Безопасность в большей степени рассматриваются темы, содержащие конкретные ответы и рекомендации для решения задач развития морехозяйственного комплекса Украины. Исключением был несколько абстрактный по своему содержанию выпуск №21 в 2012 году "Современные космогенные факторы воздействия для учета при проектировании и эксплуатации объектов морехозяйственного комплекса".

Здесь Вашему вниманию предлагается изложение введения в книгу "Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует", написанную знаменитым американским физиком нашего времени Ли Смолиным, которая хоть и написана достаточно доступным языком, местами не проста для осмысления, но весьма информативна и интересна, поскольку раскрывает понимание видного ученого физика относительно современного места и уровня развития науки. Дальше нужно читать материалы упомянутого автора.

Извлечения из введения в книгу "Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует" Lee Smolin

Может быть или может не быть Бога. Или богов. Однако есть что-то облагораживающее в нашем поиске божественного. А также нечто очеловечивающее, что отражается в каждом из путей, которые открывали люди, чтобы привести нас к более глубоким уровням истины. Некоторые отыскивают трансцедентное в медитации и молитве; другие ищут его в служении своим близким людям; еще другие, кто достаточно счастлив, чтобы иметь талант, ищут запредельное, занимаясь искусством.

Другим путем, затрагивающим самые глубокие вопросы жизни, является наука. Не то, чтобы каждый ученый являлся исследователем; большинство как раз нет. Но в рамках каждой научной дисциплины имеются те, кто страстно стремится узнать что-то самое существенно правильное. Если они математики, они хотят знать, что есть числа или какой вид истины описывает математика. Если они биологи, они хотят знать, что есть жизнь и как она возникла. Если они физики, они хотят знать все о пространстве и времени и что привело мир к существованию. Эти фундаментальные вопросы наиболее тяжелы для ответов…, Только горстка ученых имеет настойчивость для такой работы. Это один из самых рискованных видов деятельности, но велика и награда: когда кто-то отвечает на вопрос об основаниях той или иной темы, он может изменить все, что мы знаем.

Поскольку добавлять что-то в наше растущее хранилище знаний является их работой, ученые проводят свои дни, борясь с тем, чего они не понимают.

И те ученые, кто работает над основаниями любой заданной области, полностью осознают, что кирпичи в основании здания никогда не бывают так тверды, как склонны верить их коллеги.

Период времени, к которому я буду обращаться, – грубо с 1975 года, – является промежутком и моей собственной профессиональной карьеры как физика-теоретика. Он же может быть и самым странным и разочаровывающим периодом в истории физики с тех времен, когда Кеплер и Галилей четыреста лет назад положили начало практике нашего ремесла.

История, о которой я буду говорить, могла бы читаться некоторыми как трагедия. Говоря прямо, – и чтобы обозначить линию удара, – мы потерпели неудачу. Мы унаследовали науку, физику, которая прогрессировала настолько быстро и настолько долго, что часто принималась за образец того, как должны действовать другие области науки. На протяжении более чем двух столетий до сегодняшнего времени наше понимание законов природы быстро расширялось. Но сегодня, несмотря на все усилия, то, что мы достоверно знаем об этих законах, не превышает того, что мы знали о них в 1970е.

Насколько необычно то, что на протяжении трех десятков лет в фундаментальной физике не произошло значительного прогресса? Даже если мы посмотрим назад более чем на двести лет, в те времена, когда наука большей частью касалась богатых любителей, это беспрецедентно. По меньшей мере, с конца восемнадцатого века существенный прогресс по ключевым вопросам достигался каждые четверть века.

К 1780, когда количественные химические эксперименты Антуана Лавуазье показали, что материя сохраняется, законы движения и гравитации Исаака Ньютона уже существовали почти сто лет. Но, хотя Ньютон дал нам систему для понимания всей природы, граница была широко открыта. Люди еще только начали изучать основные факты о материи, свете и теплоте, и еще предстояло прояснить загадочные явления вроде электричества и магнетизма.

На протяжении следующих двадцати пяти лет главные открытия были сделаны в каждой из этих областей. Мы начали понимать, что свет есть волна. Мы открыли закон, который управляет силами между электрически заряженными частицами. И мы сделали гигантский скачок в нашем понимании материи с атомной теорией Джона Дальтона. Было введено понятие энергии, интерференция и дифракция были объяснены в терминах волновой теории света, было обнаружено электрическое сопротивление и взаимосвязь между электричеством и магнетизмом.

В следующую четверть века, с 1830 по 1855, возникло несколько основных концепций, лежащих в основе современной физики. Майкл Фарадей осознал, что силы передаются полями; использованная им идея привела к величайшему продвижению нашего понимания электричества и магнетизма. В течение того же периода было предложено сохранение энергии, а также второй закон термодинамики.

В следующей четверти века пионерские идеи Фарадея о полях были применены Джеймсом Клерком Максвеллом в нашей современной теории электромагнетизма. Максвелл не только объединил электричество и магнетизм, он объяснил свет как электромагнитную волну. В 1867 он объяснил поведение газов в терминах атомной теории. В течение того же периода Рудольф Клаузиус ввел понятие энтропии.

Период с 1880 по 1905 отметился открытиями электрона и Х-лучей. В несколько этапов было проведено изучение теплового излучения, которое привело в 1900 к открытию Максом Планком правильной формулы для описания тепловых свойств радиации.

В 1905 Альберту Эйнштейну было двадцать шесть лет. Он не смог получить академическую работу, несмотря на тот факт, что одни его ранние труды по физике теплового излучения могли бы рассматриваться как важный вклад в науку. Но это была только разминка. Вскоре он сосредоточился на фундаментальных вопросах физики: и первое, как относительность движения могла бы согласовываться с законами электричества и магнетизма Максвелла? Об этом он рассказал нам в своей специальной теории относительности (СТО). Должны ли мы думать о химических элементах как о ньютоновских атомах? Эйнштейн доказал нам, что должны. Как мы можем согласовать теории света с существованием атомов? Эйнштейн сказал нам, как, и в процессе показал, что свет является как волной, так и частицами. И все это в 1905.

Результаты эйнштейновских прозрений сказались в следующей четверти века. К 1930 мы имели его общую теорию относительности (ОТО), которая сделала революционное утверждение, что геометрия пространства не фиксирована, а развивается во времени. Корпускулярно-волновой дуализм, открытый Эйнштейном в 1905, стал полностью реализованной квантовой теорией, которая дала нам детальное понимание атомов, химии, материи и радиации. К 1930 мы также знали, что вселенная содержит гигантские количества галактик, подобных нашей собственной, и мы узнали, что они удаляются прочь друг от друга. Следствия еще не были ясны, но мы узнали, что мы живем в расширяющейся вселенной.

С созданием квантовой теории и ОТО как части нашего понимания мира закончился первый этап революции в физике двадцатого века. Многие профессора физики, некомфортно чувствовавшие себя из-за революции в их областях компетентности, успокаивались мыслью, что мы должны бы вернуться назад к развитию науки нормальным путем, без обращения на каждом повороте к вопросам о наших основополагающих представлениях. Но это успокоение было преждевременным.

Эйнштейн умер в в 1955. К тому моменту мы узнали, как последовательно объединить квантовую теорию с СТО; это было великое достижение поколения Фримена Дайсона и Ричарда Фейнмана. Мы открыли нейтрон и нейтрино, а также сотни других предположительно элементарных частиц. Мы также поняли, что мириады явлений в природе управляются всего четырьмя силами: электромагнетизмом, гравитацией, сильными ядерными силами (которые удерживают как целое атомные ядра) и слабыми ядерными силами (ответственными за радиоактивный распад).

Следующая четверть века приводит нас к 1980. К этому моменту мы сконструировали теорию, объясняющую результаты всех наших экспериментов над элементарными частицами и силами на тот момент, – теорию, названную стандартной моделью физики элементарных частиц. Например, стандартная модель точно говорила нам, как протоны и нейтроны собираются из кварков, которые удерживаются вместе глюонами, носителями сильного ядерного взаимодействия. Впервые в истории фундаментальной физики теория совпала с экспериментом. С этого момента не было сделано ни одного эксперимента, который бы не соответствовал этой модели или ОТО.

Двигаясь от очень малого к очень большому, наше знание физики теперь распространилось к новой науке о космологии, где общепринятым взглядом стала теория Большого Взрыва. Мы осознали, что наша вселенная содержит не только звезды и галактики, но и экзотические объекты, такие как нейтронные звезды, квазары, сверхновые и черные дыры. К 1980 Стивен Хокинг уже сделал фантастическое предсказание о том, что черные дыры излучают. Астрономы также получили доказательства, что вселенная содержит много темной материи – что означает, материи в форме, которая не излучает и не отражает свет.

В 1981 космолог Алан Гут предложил сценарий для очень ранней истории вселенной, названный инфляцией. Грубо говоря, эта теория утверждает, что вселенная в очень ранний момент своей жизни прошла через рывок гигантского роста, и это объясняет, почему вселенная выглядит почти совсем одинаково в каждом направлении. Теория инфляции сделала предсказания, которые казались сомнительными до момента десятилетней давности, когда к ней начали поступать доказательства.

Таким образом, к 1981 физики отпраздновали двести лет взрывного роста. Открытие за открытием углубляли наше понимание природы, поскольку в каждом случае теория и эксперимент маршировали рука об руку. Новые идеи проверялись и подтверждались, а новые экспериментальные открытия объяснялись в терминах теории. Затем в начале 1980х ситуация вынужденно встала.

Я принадлежал к первому поколению физиков, образовавшемуся с момента установления стандартной модели физики частиц. Когда я встречаю старых друзей из колледжа и высшей школы, мы иногда спрашиваем друг друга: «Что такого мы открыли, чем бы наше поколение могло гордиться?» Если мы имеем в виду новые фундаментальные открытия, установленные экспериментом и объясненные теорией, – открытия на уровне тех, которые только что упоминались, – ответ, который мы должны признать, таков: «Ничего!». Марк Визе - ведущий теоретиком в физике частиц за пределами стандартной модели сказал: "Мы были необыкновенно безуспешны в решении этой проблемы. Последние двадцать пять лет мы определенно были очень заняты. Достигнут гигантский прогресс в приложениях установленных теорий для различных объектов: свойств материалов, молекулярно-физических основ биологии, динамики обширных звездных скоплений. Но когда мы подходим к расширению нашего знания о законах природы, мы не имеем настоящего прогресса. Были исследованы многие прекрасные идеи, и были выдающиеся эксперименты на ускорителях частиц и космологические наблюдения, но они, большей частью, служили для подтверждения существующих теорий. Имелось несколько скачков вперед, но ни одного столь же определяющего или важного, как в предыдущие двести лет.

Когда это так, мы говорим, что теория фальсифицируема – уязвима по отношению к тому, чтобы оказаться опровергнутой. Теория также должна быть подтверждаема, должно быть возможным проверить новые предсказания, которые делает только эта теория. Только когда теория проверена и результаты с ней согласуются, мы можем продвинуть теорию в разряд верных теорий.

За последние тридцать лет теоретики предложили, по меньшей мере, дюжину новых подходов. Каждый подход был мотивирован убедительными гипотезами, но ни один до сегодняшнего дня не был успешен. В области физики частиц одна теория привлекла больше внимания, чем все остальные вместе: теория струн. Причину ее популярности нетрудно понять. Она претендовала на корректное описание большого и малого – как гравитации, так и элементарных частиц, – и, чтобы сделать это, она выдвинула самую смелую гипотезу из всех теорий: она постулировала, что мир содержит до сих пор не виданные измерения и намного больше частиц, чем известно в настоящее время. В то же время, она предположила, что все элементарные частицы возникают из колебаний единственной сущности – струны, – которая подчиняется простым и красивым законам. Она претендовала на роль единственной теории, которая объединяет все частицы и все силы в природе. По существу, она обещала сделать чистые и недвусмысленные предсказания для любого эксперимента, который когда-либо будет или мог бы быть сделан. В последние двадцать лет в теорию струн было направлено много усилий, но мы все еще не знаем, является ли она правильной. Даже после всех этих трудов теория не делает новые предсказания, которые являются проверяемыми сегодняшними – или даже мыслимыми сегодня – экспериментами. Несколько чистых предсказаний, которые она делает, уже были сделаны другими, хорошо признанными теориями.

Часть причин, по которым теория струн не делает новых предсказаний, заключается в том, что она предстает перед нами в бесконечном количестве версий. Даже если мы ограничимся теориями, которые согласуются с некоторыми базовыми наблюдаемыми фактами о нашей вселенной, такими как ее огромный размер и существование темной энергии, мы останемся примерно с 10500 различными струнными теориями, – что означает единицу с 500 нулями после нее, больше, чем количество всех атомов в известной вселенной. С таким чудовищным числом теорий почти нет надежды, что мы сможем идентифицировать результат эксперимента, который не был бы выполнен одной из них. Таким образом, что бы ни показывал эксперимент, теория струн не может быть опровергнута. Но обратное тоже имеет место: не будет сделано когда-либо никаких экспериментов, которые смогли бы проверить ее правильность.

Так что мы стоим перед парадоксом. Те теории струн, которые мы знаем как изучать, известны как ошибочные. Те же, которые мы не можем изучить, мыслятся существующими в таких гигантских количествах, что ни один мыслимый эксперимент никогда не сможет их все опровергнуть.

Это не единственная проблема. Теория струн покоится на нескольких ключевых предположениях, для которых имеются некоторые основания, но нет доказательств. Даже хуже, после всех научных усилий, потраченных на ее изучение, мы все еще не знаем, имеется ли полная и последовательная теория, которая как раз и могла бы отзываться на имя «теория струн». Фактически, то, что мы имеем, совсем не является теорией, а лишь большой коллекцией приблизительных расчетов вместе с сетью догадок, которые, если они верны, указывают на существование теории. Мы не знаем, каковы ее фундаментальные принципы. Мы не знаем, на каком математическом языке она должна быть выражена – возможно, в будущем должен быть изобретен новый язык, чтобы описать ее. В отсутствие обоих фундаментальных принципов (подтверждаемость, фальсифицируемость) и математической формулировки мы не можем сказать, что мы даже знаем, что провозглашает теория струн.

Теория струн в тех пределах, в которых она понята, постулирует, что мир фундаментально отличается от мира, который мы знаем. Если теория струн верна, мир имеет больше измерений и намного больше частиц и сил, чем мы до сих пор наблюдали. Поскольку теория струн является таким высокорисковым предприятием, – не поддержанным экспериментом, хотя очень щедро поддержанным академическими и научными сообществами, – имеются только два пути окончания этой истории. Если теория струн окажется верной, струнные теоретики окажутся величайшими героями в истории науки. На основе горсти рассуждений, – ни одно из которых не имеет недвусмысленного прочтения, – они смогли открыть, что реальность намного более безбрежна, чем это раньше воображалось. Колумб открыл новый континент, не известный королю и королеве Испании (равно как испанские монархи были неизвестны жителям Нового Света). Галилей открыл новые звезды и луны, а затем астрономы открыли новые планеты. Все это побледнеет перед открытием новых измерений. Более того, многие струнные теоретики верят, что мириады миров, описываемых гигантским числом струнных теорий, реально существуют – как другие вселенные, которые нам невозможно увидеть непосредственно. Если они правы, мы видим намного меньшую часть реальности, чем часть земли, которую когда-либо видела любая группа обитателей пещеры. Никто в человеческой истории не мог когда-либо точно догадаться о таком огромном расширении известного мира.

Имеются веские причины принимать теорию струн всерьез как гипотезу о природе, но это не то же самое, что декларировать ее правильность.

В последние годы множество книг и журнальных статей для широкой публики описывали ошеломляющие новые идеи, которые вырабатывали физики-теоретики. Некоторые из этих хроник меньше всего заботились об объяснении именно того, насколько далеко новые идеи находятся как от экспериментального тестирования, так и от математического доказательства.

Наука требует деликатного баланса между конформизмом и разнообразием. Поскольку так легко ошибиться, поскольку ответы не известны, эксперты, не важно, насколько умные или натренированные, не сойдутся во мнениях по поводу того, какой подход более вероятно даст плоды. Следовательно, если наука хочет двигаться вперед, научное сообщество должно поддерживать различные подходы к каждой отдельной проблеме.

Как это возможно, что теория струн, которой занимались более тысячи блестящих и хорошо образованных ученых, работая в лучших условиях, находится в опасности неудачи? Это удивляло меня долгое время, но сейчас я думаю, что я знаю ответ. Что, я уверен, потерпело неудачу, это не только отдельная теория, но и стиль ведения науки, который хорошо подходил к проблемам, стоявшим перед нами в середине двадцатого века, но перестал быть пригодным для тех видов фундаментальных проблем, которые стоят перед нами сейчас. Стандартная модель физики частиц была триумфом особого способа ведения науки, который начал доминировать в физике с 1940х. Этот стиль прагматичен и реалистичен, он поощряет виртуозность в расчетах при обдумывании тяжелых концептуальных проблем. Это крайне отличается от способа, которым делали науку Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер и другие революционеры начала двадцатого века. Их работа возникала из глубокого размышления о наиболее основных вопросах окружающего пространства, времени и материи, и они видели, что они являлись частью широкой философской традиции, в которой они были дома.

Чтобы продолжить прогресс науки, мы опять должны бороться с глубокими вопросами о пространстве и времени, квантовой теории и космологии. Нам снова нужны типы людей, которые могут открыть новые решения давно стоящих основополагающих проблем. Как мы увидим, направления, в которых делается прогресс, – которые приводят теорию назад к контакту с экспериментом, – ведутся людьми, которые имеют свободное время, чтоб придумывать новые идеи, а не следовать популярным трендам, и делать науку, большей частью, в размышляющем и основательном стиле пионеров начала двадцатого века.

Подробнее о приведенном можно читать на сайте ru.wikipedia.org›Смолин, Ли (англ. Lee Smolin, — американский физик-теоретик, профессор канадского университета Ватерлоо, ведущий сотрудник расположенного там же Института теоретической физики (Perimeter Institute for Theoretical Physics).