Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы - Вайнберг Стивен

Стивен Вайнберг

Остин, Техас

Август 1992 г.

Глава I. Пролог

В ХХ в. необычайно расширились границы научного познания в физике. Наши представления о пространстве, времени и тяготении полностью изменились благодаря специальной и общей теориям относительности Эйнштейна. Совершив еще более радикальный разрыв с прошлым, квантовая механика изменила сам язык, который мы используем для описания природы: вместо того, чтобы говорить о частицах, имеющих определенные положение и скорость, мы научились говорить о волновых функциях и вероятностях. Слияние теории относительности с квантовой механикой привело к новому видению мира, в котором вещество перестало играть главенствующую роль. Эта роль перешла к принципам симметрии, причем на данном этапе развития Вселенной некоторые из них скрыты от взгляда наблюдателя. На такой основе нам удалось построить удовлетворительную теорию электромагнетизма, а также слабых и сильных ядерных взаимодействий элементарных частиц. Часто ученые чувствовали себя как Зигфрид, который, попробовав крови дракона, с удивлением обнаружил, что может понимать язык птиц.

Но сейчас мы застряли. Годы, прошедшие с середины 1970-х, были самыми бесплодными в истории физики элементарных частиц. Мы расплачиваемся за собственные успехи: теория продвинулась так далеко, что дальнейший прогресс требует изучения процессов, происходящих при энергиях, далеко выходящих за пределы возможностей существующих экспериментальных установок.

Чтобы выйти из тупика, физики еще в 1982 г. начали планировать строительство научной установки беспрецедентных размеров и стоимости, получившей название Сверхпроводящий суперколлайдер (ССК). В этом проекте предполагается прорыть овальный туннель длиной около 85 км к югу от Далласа. Тысячи сверхпроводящих магнитов, расположенных внутри этого подземного туннеля, должны заставить совершить миллионы оборотов по кольцу два встречных пучка электрически заряженных частиц – протонов, пока они не ускорятся до энергии, в двадцать раз большей, чем максимальная энергия, достижимая на существующих ускорителях. В нескольких точках вдоль кольца протоны обоих пучков будут миллионы раз в секунду сталкиваться друг с другом, а громадные детекторы, некоторые весом в десятки тысяч тонн, будут регистрировать результаты этих соударений. Стоимость проекта была оценена в 8 миллиардов долларов.

Идея постройки Суперколлайдера вызвала сильное противодействие, и не только со стороны бережливых конгрессменов, но и со стороны ряда ученых, которые хотели бы, чтобы деньги тратились на исследования именно в их области. Всегда хватало брюзжания по поводу так называемой большой науки, и мишенью многих ворчунов стал ССК. В то же время объединение европейских ученых, известное под названием ЦЕРН 1), рассматривает возможность постройки похожей установки – Большого Адронного Коллайдера (БАК). Эта установка будет стоить меньше, чем ССК, так как в ней предполагается использовать уже существующий туннель, прорытый под Юрскими горами вблизи Женевы, но по ряду причин энергия частиц на этом ускорителе будет составлять менее половины той, которая планируется на ССК. Во многих отношениях споры в США по поводу ССК похожи на споры в Европе о том, стоит ли строить БАК.

Первое издание этой книги вышло в свет в 1992 г. К этому времени финансирование ССК, остановленное июньским решением Палаты представителей, было восстановлено августовским решением Сената. Будущее Суперколлайдера было бы обеспечено, если бы проект получил заметную иностранную поддержку, но пока что этим и не пахнет. Похоже, что если финансирование проекта и прорвется через конгресс в этом году 2), то в следующем опять возникнет угроза приостановки финансирования, и так будет каждый год, пока проект не будет завершен 3). Может случиться, что последние годы ХХ в. станут свидетелями прекращения эпохальных поисков оснований физической науки, возобновление которых произойдет, возможно, спустя много лет.

Эта книга совсем не о Суперколлайдере. Однако споры о проекте заставили меня в ряде публичных выступлений и во время слушаний в конгрессе попытаться объяснить, что же мы пытаемся выяснить, изучая элементарные частицы. Кому-то может показаться, что после тридцати лет работы в области физики это было для меня достаточно легко, но все оказалось не так-то просто.

Для меня самого удовольствие, получаемое от работы, всегда было достаточным основанием для того, чтобы ее делать. Сидя за своим столом или где-нибудь в кафе, я манипулирую математическими формулами и чувствую себя как Фауст, играющий в пентаграммы, прежде чем появился Мефистофель. Очень редко математические абстракции, экспериментальные данные и физическая интуиция соединяются в определенную теорию частиц, сил и симметрий. Еще реже теория оказывается правильной; иногда эксперименты подтверждают, что природа действительно следует тем законам, которые теория предсказывает.

Но это не все. Для физиков, чья деятельность связана с элементарными частицами, имеется и другая побудительная причина для работы, которую значительно труднее объяснить даже самому себе.

Существующие теории ограничены, они все еще не полны и не окончательны. Но за ними здесь и там мы улавливаем проблески окончательной теории, которая будет иметь неограниченную применимость и будет полностью удовлетворять нас своей полнотой и согласованностью. Мы ищем универсальные истины о природе и, когда мы их находим, пытаемся объяснить их, показав, каким образом они выводятся из еще более глубоких истин. Представьте себе пространство научных принципов, заполненное стрелками, указывающими на каждый принцип и исходящими из тех принципов, которыми объясняются последующие. Эти стрелы объяснений уже сегодня выявляют любопытную структуру: они не образуют отдельных, не связанных с другими, скоплений, соответствующих независимым наукам, и они не направлены хаотично и бесцельно. Наоборот, все они связаны, так что если двигаться к началу стрелок, то кажется, что все они выходят из общей точки. Эта начальная точка, к которой можно свести все объяснения, и есть то, что я подразумеваю под окончательной теорией.

Можно уверенно утверждать, что сейчас у нас нет окончательной теории, и похоже, что она не скоро появится. Но время от времени мы ловим намеки на то, что до нее не так уж и далеко. Иногда во время дискуссий с физиками вдруг выясняется, что математически красивые идеи имеют действительное отношение к реальному миру, и тогда возникает чувство, что там, за доской, есть какая-то более глубокая истина, предвестник окончательной теории. Именно это и делает наши идеи привлекательными.

Когда мы размышляем об окончательной теории, на ум приходят тысячи вопросов и определений. Что мы имеем в виду, говоря, что один научный принцип «объясняет» другой? Откуда мы знаем, что у всех этих объяснений есть общая начальная точка? Откроем ли мы когда-нибудь эту точку? Насколько мы сейчас близки к этому? На что будет похожа окончательная теория? Какие разделы современной физики выживут и сохранятся в окончательной теории? Что будет говорить эта теория о феноменах жизни и сознания? И наконец, когда мы откроем эту окончательную теорию, то что же будет дальше с наукой и с человеческим разумом? Мы лишь коснемся этих вопросов в первой главе, оставляя более подробный ответ до остальной части книги.

Мечта об окончательной теории родилась не в ХХ в. В западной цивилизации ее можно проследить вглубь веков до той научной школы, которая расцвела за сто лет до рождения Сократа в греческом городе Милете на берегу Эгейского моря, в устье реки Меандр. Мы, на самом деле, мало знаем о мыслях досократиков, но последующие ссылки и несколько оригинальных фрагментов, дошедших до нас, позволяют предположить, что уже милетцы искали объяснение всех природных явлений с помощью фундаментальных составляющих материи. Для Фалеса, первого среди милетских философов, фундаментальной сущностью была вода; для Анаксимена, последнего философа этой школы, такой сущностью был воздух.