Неприятности с физикой: взлёт теории струн, упадок науки и что за этим следует

  
Ли Смолин. Неприятности с физикой: Взлёт теории струн, упадок науки и что за этим следует
 
 
Посвящается Кэй
 
  
Введение
 
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 трансцендентное в медитации и молитве; другие ищут его в служении своим близким людям; ещё другие, кто достаточно счастлив, чтобы иметь талант, ищут запредельное, занимаясь искусством.
Другим путём, затрагивающим самые глубокие вопросы жизни, является наука. Не то, чтобы каждый учёный являлся исследователем; большинство как раз нет. Но в рамках каждой научной дисциплины имеются те, кто страстно стремится узнать что-то самое существенно правильное о своей теме. 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 всё о пространстве и времени и что привело мир к существованию. Эти фундаментальные вопросы наиболее тяжелы для ответов, и прогресс редко бывает непрерывным. Только горстка учёных 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 всё, что мы знаем.
Поскольку добавлять что-то в наше растущее хранилище знаний является их работой, учёные проводят свои дни, борясь с тем, чего они не понимают.
И те учёные, кто работает над основаниями любой заданной области, полностью осознают, что кирпичи в основании здания никогда не бывают так тверды, как склонны верить их коллеги.
Это история о поиске понимания природы не её самом глубоком уровне. Её главными героями являются учёные, которые работали, чтобы расширить наше знание основных законов физики. 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 времён, 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 1970-е.
Насколько необычно то, что на протяжении трёх 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 году, 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 ещё только начали изучать основные факты о материи, свете и теплоте, и ещё 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 годы, 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 году он объяснил поведение газов в терминах атомной теории. В течение того же периода Рудольф Клаузиус ввёл понятие энтропии.
Период с 1880 по 1905 годы отметился открытиями электрона и X-лучей. В несколько этапов было проведено изучение теплового излучения, которое привело в 1900 году к открытию Максом Планком правильной формулы для описания тепловых свойств радиации — формулы, которая воспламенит квантовую революцию.
В 1905 году 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 всё это в 1905-м, во время, выкроенное из его работы в должности патентного поверенного.
Результаты эйнштейновских прозрений сказались в следующей четверти века. К 1930 году 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-м, стал полностью реализованной квантовой теорией, которая дала нам детальное понимание атомов, химии, материи и радиации. К 1930-м мы также знали, что вселенная содержит гигантские количества галактик, подобных нашей собственной, и мы узнали, что они удаляются прочь друг от друга. Следствия ещё не были ясны, но мы узнали, что мы живём 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 путём, без обращения на каждом повороте к вопросам о наших основополагающих представлениях. Но это успокоение было преждевременным.
Эйнштейн умер в конце следующей четверти века, в 1955 году. 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-м. 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.