© И.Н.Гансвинд
Автор книги [1] известен своими работами по физике элементарных частиц и космологии, за которые он удостоен 12 почетных докторских степеней, Нобелевской (1979 г.) и других премий, награжден Национальной медалью науки США (1991 г.) и отмечен другими наградами. На русском языке опубликована его книга о принципах и приложениях общей теории относительности [2], несколько обзоров в "Успехах физических наук" и популярная книга по космологии [3]. Среди других талантов С.Вайнберг обладает талантом популяризатора, образно и с юмором рассказывает о фундаментальных проблемах современной науки на фоне истории физики.
Его последняя научно-популярная книга написана для ознакомления широкой общественности с проблемами развития физики в конце нашего века и имела целью предотвратить сворачивание строительства американского суперколлайдера SSC. Хотя поставленная цель не была достигнута, книга интересна во многих отношениях, как будет ясно из этого обзора.
Автор принадлежит к кругу теоретиков, стремящихся создать окончательную физическую теорию, в которой все физические законы вытекали бы из минимального числа основополагающих принципов. Такая фундаментальная теория была бы применима без ограничений, свойственных существующим теориям, и удовлетворяла бы требованиям внутренней согласованности и полноты. "Окончательная теория не означает конца физики, но завершит поиски принципов, которые не сводимы к более глубоким принципам" - отмечает С.Вайнберг.
Картину современных научных знаний о природе он представляет себе как пространство научных принципов, связи между которыми обозначены стрелками, указывающими на каждый из них и исходящими из тех, которыми они могут быть объяснены. Оказывается, что такие стрелки не образуют изолированных групп и не рассеяны без порядка, а имеют, по-видимому, один источник. Эту исходную точку С.Вайнберг и рассматривает как окончательную теорию, а саму картину таким образом упорядоченных знаний о мире самой глубокой вещью, которую мы знаем.
В обоснование своего взгляда на структуру картины мира С.Вайнберг приводит объяснение, ценой каких допущений получается именно такая картина.
Каким же образом один научный принцип находит объяснение в другом? Ясно, что всякое объяснение дедуктивно, но сама по себе дедукция не обязательно что-то объясняет, как, например, в тех случаях, когда любое из двух утверждений можно вывести из другого. Научное объяснение больше, чем дедукция, так как из двух связанных между собой принципов выделяет более универсальный. Например, законы движения Ньютона фундаментальнее законов движения планет, найденных Кепплером и объясняют их, теория фотонов Эйнштейна универсальнее теории излучения, развитой Планком, так как не только служит фундаментом для гипотезы квантов энергии, которая лежит в основе формулы Планка для распределения энергии в спектре абсолютно черного тела, но и объясняет корпускулярные свойства излучения. Может, однако, оказаться, что научное объяснение меньше, чем дедукция, когда ясно, что сам принцип работает, но выполнить расчеты и получить все количественные данные крайне трудно.
Принципы, на которых будет стоять окончательная теория, универсальны, т.е. справедливы везде и всегда. Но многие естественные науки, такие как биология, геология, астрономия не исчерпываются универсалиями, но включают в себя исторические случайности. Именно случайности ставят пределы тому, что можно надеяться объяснить исходя из принципов. С.Вайнберг приводит такой пример. "Любое объяснение существующих на Земле форм жизни должно учитывать вымирание динозавров, которое приписывается столкновению Земли с кометой, случившемуся 65 млн. лет назад, но никто не объяснит, почему столкновение с кометой произошло именно тогда". Отделить следствия универсальных законов от последствий исторических случайностей не всегда просто.
Помимо исторических случайностей и трудностей количественного объяснения явлений из основополагающих принципов существует еще один фактор, препятствующий построению связной цепочки объяснений. Это эмерджентность - рождение новых явлений на более высоких уровнях структурной организации материи, которым нет места на низких. Например, на уровне атомов и молекул нет ничего похожего на жизнь, на клеточном уровне нет разума и т.п.
Термодинамика, построенная на понятиях температуры и энтропии, возникла в физике вне связи с частицами и силами, как теория тепловых машин. Впоследствии, когда была создана статистическая механика, оказалось, что принципы термодинамики можно получить математически, анализируя вероятности состояний системы, содержащей большое число подсистем, между которыми распределена энергия этой системы. Термодинамика применима к очень широкому кругу явлений от работы двигателей до шаровых скоплений галактик и черных дыр. Можно сказать, что термодинамика в картине знаний о природе задает определенный узор стрел, который возникает везде, где она работает, оперируя понятиями температуры, энтропии и т.д., не имеющими смысла на уровне отдельных частиц. Статистическая механика позволила связать термодинамику с глубинными физическими законами.
В последние годы создается и развивается новая наука чем-то похожая на термодинамику. Она изучает сложные системы, состоящие из подобия частиц, которыми могут быть физические, биологические и иные объекты (в общественных науках, например, участники экономических процессов). Взаимодействие таких "частиц", часто основанное всего лишь на нескольких простых правилах, приводит к непредвиденным и даже загадочным явлениям, проходящим по зыбкой границе между строгим порядком и хаосом. Эволюция сложных систем неожиданна и трудно выводима из правил взаимодействия "частиц" и из начальных условий. Указывая на трудности построения цепочки объяснений для сложных систем на примерах хаоса и турбулентности, С.Вайнберг тем не менее полагает, что в конечном счете в основе и этих явлений лежит некоторая совокупность фундаментальных принципов.
Хотя и не без оговорок, С.Вайнберг надеется подвести под окончательную теорию и человеческое сознание. Жизнь сознания - проблема философии, но тайны механизмов и состояний, структуры и свойств сознания могут быть раскрыты через изучение того, что он называет объектными коррелятами сознания, - физико-химических изменений, сопровождающих жизнь сознания. "Не будет неразумным надеяться, что, когда объектные корреляты сознания будут объяснены, где-то в наших объяснениях мы сможем узнать нечто, некую физическую систему для обработки информации, соответствующую нашему опыту о самом сознании... Может быть это и не объяснит сознания, но окажется вблизи от этого." Эта цитата свидетельствует о том, то С.Вайнберг рассматривает сознание как физическую систему. Но как физическая система может оперировать смыслами будучи лишенной наблюдателя? Физический мир и мир сознания, мир смыслов могут быть охвачены лишь такой окончательной теорией, которая формируется на языке равно близком обоим мирам.
Картина научного знания, как она представляется С.Вайнбергу, такова, что не существует раздела, который стоял бы особняком и не соприкасался бы с другими. В этой пронизанной взаимосвязями структуре нет места автономным наукам с фундаментальными законами, не сводимыми к физике или чему-то еще. Поэтому, утверждает С.Вайнберг, "в нашем мире нет комнаты для телекинеза или астрологии" и проверкой данных, исходящих от них, просто нет смысла заниматься.
Вторая глава книги под названием "На куске мела" является популярным очерком, в котором развернута цепочка объяснений физических свойств вещества и физических явлений, представляющая собой последовательные ответы на повторяющийся вопрос "почему?". В этой главе С.Вайнберг воспользовался опытом Томаса Генри Хаксли, прозванного "бульдогом Дарвина". В 1868г. в г.Норвиг на востоке Англии Томас Хаксли прочел для рабочих лекцию об истории Земли и об эволюции живой природы, воспользовавшись мелом как наглядным пособием. С.Вайнберг объясняет физические свойства мела, приводя цепочку объяснений к стандартной модели. Стандартная модель содержит перечень физических полей и квантов этих полей, представляющих все известные виды элементарных частиц, а также общие принципы, например, принципы относительности и принципы квантовой механики. Однако, почему мир состоит именно из тех полей, из которых он состоит, почему эти поля обладают свойствами, которые описываются стандартной моделью и почему природа подчиняется принципам теории относительности и квантовой механики, - ответов на эти вопросы нет и ожидается, что их даст окончательная теория.
Нарисовав картину современного научного знания, опирающегося на фундамент глубинных законов физики элементарных частиц, С.Вайнберг аргументирует свой взгляд на этот раздел физики как самый фундаментальный в третьей главе книги. Критерием фундаментальности для него служит близость физики элементарных частиц к точке сходимости всех стрел объяснений в пространстве принципов научного знания.
Он отстаивает редукционизм, понимая под ним представления об иерархической связи истин, о том, что "научные принципы являются тем, что они есть благодаря более глубоким научным принципам и все они ведут к одному простому множеству законов". С.Вайнберг полагает, что лучший путь, который ведет к этому "простому множеству законов на нынешнем этапе истории науки проходит через физику элементарных частиц, но этот аспект редукционизма временный и когда-нибудь появятся лучшие пути."
Среди противников такого взгляда на науку много тех ученых, на работу которых физика элементарных частиц непосредственно не влияет. Притязания ученых, так или иначе связанных с физикой элементарных частиц, на львиную долю правительственных ассигнований вызывает вполне объяснимый протест под лозунгом антиредукционизма. Ускорители высоких энергий, экспериментальная база физики элементарных частиц, - сооружения, стоимость которых составляет многие миллиарды долларов. С завершением масштабной гонки вооружений интерес к физике упал, и ассигнования на фундаментальные исследования конгресс США неуклонно сокращает. Отвечая на анкету конгресса, нужны ли фундаментальные науки, профессор Принстонского университета Александр Поляков с сарказмом процитировал И.Сталина: "Наука должна давать практические результаты."
Но среди антиредукционистов много и тех, для кого вообще неприемлем холодный и величественный мир редукциониста. Этот старый спор между редукционистами и холистами особенно характерен для США. Редукционизм вдохновляет, например, разработчиков нанотехнологий, - производственных процессов на молекулярном уровне. Оплотом холизма является Калифорния, где многие институты занимаются биотехнологиями. Но истоки такого спора не сводятся к технологиям, они лежат глубже. Достаточно сопоставить высказывание С.Вайнберга из его первой научно-популярной книги [3]: "Чем более постижимой представляется Вселенная, тем более она кажется бессмысленной" и название недавней книги В.В.Налимова, тоже ученого с мировым именем, "В поисках иных смыслов" [4]. Ключевой в этом споре является проблема сознания. Допустимо ли по-прежнему игнорировать сознание при разработке окончательной теории, - так ставят вопрос многие ученые в России и за рубежом, не оспаривая при этом существование в природе логического порядка.
Книга об окончательной теории не могла не иметь философской направленности. Последняя обнаруживает себя в трех главах - шестой, седьмой и одиннадцатой. Они посвящены соответственно роли эстетического чувства в оценке физических теорий ("Красота теорий"), трудным взаимоотношениям между физикой и философией ("Против философии") и между физикой и религией ("Что сказать о Боге?").
В шестой главе С.Вайнберг задается вопросом о природе красоты физических теорий и пытается ответить на вопрос, почему эстетическое чувство физика может свидетельствовать о продвижении к окончательной теории. Смысл эстетического чувства он видит в том, что оно позволяет отобрать перспективные идеи, подобно тому как тренеру чувство красоты помогает отобрать лошадь, способную выиграть скачки. Мнение С.Вайнберга поддержал бы инженер и конструктор. Известно, что эстетически привлекательные конструкции в технике имеют долгую жизнь. Правда, такая оценка - дело вкуса. Известен отрицательный отзыв авиаконструктора А.Туполева об одном из самолетов конструкции О.Антонова с эстетических позиций: "Эта жеребая кобыла летать не будет".
Свойства физической теории, которые рождают чувство красоты, - это, как считает С.Вайнберг, - простота ее центральной идеи и внутренняя самосогласованность, совершенство, не позволяющее что-либо в ней изменить, не разрушив все здание. Особая роль в наделении теории этими свойствами принадлежит принципам симметрии. Обращаясь к структуре разных физических теорий, С.Вайнберг прослеживает, как роль принципов симметрии в физике постепенно выходила на первый план. "Материя, таким образом, теряет центральную роль в физике: все, что остается, - это принципы симметрии и поведение волновых функций при преобразованиях симметрии," - таков вывод С.Вайнберга из истории физики последних ста лет. В теориях последних нескольких десятилетий фигурируют такие принципы симметрии, которые требуют, чтобы существовали совершенно определенные взаимодействия, все известные силы природы. Эта логическая жесткость и дает действительно фундаментальной теории ее красоту, очень похожую на красоту тех шедевров искусства, в которых ничего нельзя изменить, - ни одной ноты, ни одной линии, ни одного мазка. Создание теории - это не просто вывод математических следствий из совокупности определенных принципов. Такой вывод может оказаться простым или сложным делом, но именно этому учат будущих физиков в университетах, "создание же новых физических принципов - мучительное занятие и этому, по-видимому, научить нельзя".
Красота физических теорий воплощена в жестких математических структурах, и С.Вайнберг пытается понять феномен, который Юджин Вигнер назвал "непостижимой эффективностью математики". На протяжении истории физики многократно оказывалось, что поиски математического аппарата, адекватного физическим идеям, приводили к уже известным математическим теориям, создатели которых совсем не думали о применении своих идей в физике. Эйнштейн, разрабатывая общую теорию относительности, нашел необходимый ему формализм в геометрии Римана, созданной в XIX веке для описания пространств с кривизной. Геометры в XIX в. и не помышляли, что их работа найдет применение в физической теории гравитации, а исходили из внутренних потребностей математики. Еще более поразительный пример - теория непрерывных групп преобразований, разработанная во второй половине прошлого века в трудах Галуа, Абеля, Ли, Эли Картана. Она была востребована в начале 60-х годов нашего столетия, когда принципы симметрии стали доминировать в теоретической физике. "Физики считают способность математиков предвидеть, какой математический аппарат потребуется для физических теорий, жуткой и совершенно таинственной. Это как если бы Нейл Армстронг, впервые ступив на поверхность Луны в 1969 г., обнаружил в лунной пыли след, оставленный Жюлем Верном", - заключает С.Вайнберг. Он считает, что эстетическое чувство у физиков находится в становлении и развитии. Мир в целом генерирует случайный, неэффективный, но, в конечном счете, действенный обучающий процесс, и взгляд на мир постепенно эволюционирует за счет естественного отбора идей. "Наш вид медленно обучается, какого рода красоту следует ждать от природы". Этот тезис С.Вайнберг доказывает, анализируя историю физики, и приходит к выводу: "Совершенно ясно, что мы изменились под воздействием мира как обучающей машины, внушающей чувство прекрасного, с которым особи нашего вида не рождаются". В итоге физиков ждут "несколько простых принципов неотразимой красоты".
В главе о взаимоотношениях физики и философии сквозит обида на то, что философски значимые идеи физики не были поняты философией. Это подчеркнуто названием главы - "Против философии". По сравнению с непостижимой эффективностью математики философия оказывается для физики поразительно неэффективной. Как считает С.Вайнберг, "в охоте на окончательную теорию физики больше напоминают собак с хорошим чутьем, чем зорких соколов: мы рыщем в поисках следов красоты, которую надеемся найти в законах природы, но, по-видимому, не можем усмотреть путь к истине с высоты философии". Это высказывание перекликается с давними словами Н.А.Бердяева: "Научное познание поднимается по темной лестнице и освещает каждую ступень. Оно не знает, к чему придет на вершине лестницы, в нем нет солнечного света, смысла, Логоса, освещающего путь сверху" [5]. В этом противоположность философии как рассуждения о сознании, о смыслах и физики, постигающей природу как несознание.
На многих примерах из истории физики С.Вайнберг показывает, что философские системы в столкновении с физикой порождают не меньше проблем, чем решают. Когда философские системы, пережив свое героическое время, становятся догмами, навязанные ими представления о том, что в физике научно, а что нет становятся препятствиями для развития физики.
Механицизм в свою героическую эпоху разрушил многие предрассудки. Декарт, продолжив линию, идущую от Демокрита и Левкиппа, построил картину мира, рационально объясняющую явления природы. Философия Декарта оказала заметное влияние на Ньютона, но ньютоновская идея действия на расстоянии с трудом воспринималась картезианцами и стала преобладать лишь в первые десятилетия XYIII века. Даже созданные в XIX веке теории электрического и магнитного полей Фарадея и Максвелла были облачены в механистические одежды, и лишь специальная теория относительности Эйнштейна позволила решительно преодолеть механицизм. На примере предисловия В.Фока к его книге об общей теории относительности С.Вайнберг рассказывает о значении марксистско-ленинской философии для физики в Советском Союзе.
Сохранивший элементы механицизма позитивизм, неопозитивизм и постпозитивизм оказали сильное и тоже неоднозначное влияние на развитие физики. Работа Эйнштейна 1905 г., в которой была построена специальная теория относительности (СТО), обнаруживает очевидное влияние Маха. Эта работа изобилует наблюдателями, измеряющими расстояния и промежутки времени с помощью линеек, часов и световых лучей. Принцип неопределенности в квантовой механике получен Гейзенбергом в результате позитивистского анализа ограничений, которые возникают при попытке наблюдать положение частицы и ее импульс.
Но это же требование позитивизма, чтобы физические теории имели дело только с наблюдаемыми величинами, оказало драматическое сопротивление атомизму, поскольку техника в начале XX в. не позволяла еще наблюдать атомы. Э.Мах даже в 1910 г. категорически отказывался признать существование атомов. Особенно тяжелые последствия для физики и для создателей статистической механики вызвал позитивистский взгляд на нее. Одно из триумфальных достижений физики конца XIX в. было признано далеко не сразу, и главным препятствием к признанию явилась догма позитивизма. От нее физики окончательно избавились только во второй половине нашего века, когда возникла и утвердилась идея о том, что кварки и глюоны принципиально нельзя никогда наблюдать изолированными. Но уже Эйнштейн по свидетельству Гейзенберга был готов решительно отказаться от требований позитивизма, когда они ему мешали.
Поучительна рассказанная С.Вайнбергом история открытия электрона. Около ста лет назад практически одновременно Дж.Дж.Томсон в Англии и Вальтер Кауфман в Берлине измеряли отклонение катодных лучей в электрическом и магнитном полях в вакуумной трубке, прообразе телевизионного кинескопа. Эксперимент Кауфмана был выполнен тщательнее и его измерения были точнее. Томсон наследовал традиции научной школы, восходящие к Ньютону и Дальтону, и разделял взгляды атомистов. Интерпретируя результаты опыта, он предположил, что лучи состоят из частиц, обладающих электрическим зарядом и массой, отношение величин которых постоянно. Эти частицы входят в состав атомов и переносят электрический заряд во всех видах электрического тока. Томсон сделал вывод об открытии определенной формы материи и признан в науке как открыватель электрона. Исследуя свойства открытой им частицы, Томсон в других экспериментах установил, что электроны испускаются нагретыми металлами и радиоактивными веществами, измерил электрический заряд частицы.
Кауфман, будучи позитивистом, считал себя не вправе говорить об открытии частицы, наблюдать которую непосредственно он не мог, а наблюдал лишь нечто распространяющееся в виде катодных лучей, обладающее массой и электрическим зарядом, отношение которых равно постоянной величине. Поэтому он не претендовал на открытие фундаментальной частицы и не занимался ее изучением.
По Хайдеггеру понимание, толкование феномена возможно только тогда, когда понимающий уже заранее имеет представление о данном феномене. Даже при нечетком представлении о предмете исследования наблюдатель задает совершенно определенный вопрос, на который отвечает эксперимент. Как видно из истории открытия электрона, глубина и четкость вопроса определяет интерпретацию наблюдений. "Было бы безрассудным предполагать, что кто-то знает, хотя бы на каком языке будет сформулирована окончательная теория" - считает С.Вайнберг.
По его словам, у физиков есть своя рабочая философия, - убежденность в объективной реальности физических теорий, приобретенная из опыта научных исследований. Он решительно отражает атаку на презумпцию объективности науки со стороны тех философов, социологов и антропологов, которые, рассматривая науку как социальный процесс, считают, что содержание научных теорий определяется социальным и историческим окружением, в котором эти теории обсуждаются пока не будет достигнуто согласие между участниками исследования.
Посвящая отдельную главу религиозным мотивам в связи с поисками фундаментальных законов природы, С.Вайнберг предупреждает, что его озабоченность такими вещами выглядит совершенно нетипичной, так как большинство современных физиков не проявляет интереса к религии даже в той мере, чтобы их можно было отнести к атеистам. Но глава о Боге не лишена атеистического пафоса. С.Вайнберг относит к вопросам веры то, что к ним отношения в сущности не имеет - религиозные войны, крестовые походы, межрелигиозную вражду, то есть дела человеческие в одеждах религии под знаменами со священными символами. Другой его атеистический аргумент следующий: "Едва ли можно не задуматься, получим ли мы какой-то ответ на наши глубочайшие вопросы, найдем ли какой-то след трудов всемогущего Бога в окончательной теории. Я думаю, нам это не удастся. Весь наш опыт на протяжении истории науки ведет в противоположном направлении - к холодным внеличностным законам природы." Еще в 1931 г. русский философ Б.П.Вышеславцев писал: "Все сомнения, все атеистические отрицания касаются, в сущности, только познаваемости Абсолютного. Они высказывают следующее: среди объектов познания, опытного и априорного, не встречается такого объекта, как Бог, Абсолют. Его нельзя увидать ни в телескоп, ни в микроскоп, Его нельзя выразить ни в математических формулах, ни в логических категориях, - одним словом, Он невидим и недоказуем. Все это совершенно верно. Религиозный мыслитель принужден утверждать то же самое в своей апофатической теологии: Deus est Deus absconditus, "познанный Бог не был бы Богом"!" [6].
Основная тема этой главы - положение человека во Вселенной. С.Вайнберг отвечает на этот вопрос так: "...я бы предположил, что, хотя мы и отыщем красоту в окончательных законах природы, мы не обнаружим, что существует какой-то особый статус для жизни или интеллекта". Он вступает в полемику с теми, кто не разделяет столь мрачного взгляда на окончательные законы, и прежде всего со своим учителем и другом Дж.А.Уилером, задавшим вопрос: "Неужели живое и разум неважны в функционировании сущего?"
С.Вайнберг атакует антропный принцип, согласно которому, как сформулировал его Дж.А.Уилер, "не только человек адаптирован ко Вселенной, но и Вселенная адаптирована к человеку". Мир, в котором мы живем, характеризуется набором физических констант, они входят в фундаментальные физические уравнения и определяют особенности устройства нашего Мира. Стоит совсем немного изменить хотя бы одну из них, и Мир совершенно преобразится. Оказывается, что наш Мир очень хрупок, в нем мало что можно изменить, совершенно его не разрушив. Как заметил В.В.Налимов: "Числовые константы, будучи ментальными сущностями, оказываются вмонтированными в физический мир. Удивительна была интуиция греческих философов - Пифагора, Платона, Плотина, придававших исключительно большое значение числу" [4].
Несогласие с антропным принципом С.Вайнберг оправдывает тем, что в некоторых современных теориях физические постоянные не считаются неизменными повсюду и всегда во Вселенной, но могут варьировать от места к месту или во времени или как-то еще, а тогда каждый, кто исследует законы природы, должен существовать именно там и тогда, где и когда физические постоянные благоприятны для разумной жизни. Более того, С.Вайнберг полагает, что "по мере открытия все большего числа фундаментальных физических принципов становится ясно, что они все меньше касаются нас", миру просто нет до нас дела, и "было бы удивительно найти в законах природы план всемогущего Творца, в котором роду человеческому отводилась бы какая-то особая роль". Сожалея о том, что ни в одной из больших космических драм нам не предназначена звездная роль, С.Вайнберг испытывает ностальгию по библейским временам, когда небеса славили Бога.
Точка зрения С.Вайнберга внутренне противоречива. Если в природных силах не заложено никакой возможности высшего самосознания человека, если, по словам Н.А.Бердяева, "высшее самосознание человека необъяснимо из природного мира", то оно "остается тайной для этого мира". И тогда "факт бытия человека и факт его самосознания есть могучее и единственное опровержение той кажущейся истины, что природный мир - единственный и окончательный. Человек по существу своему есть уже разрыв в природном мире, он не вмещается в нем... Высшее самосознание человека есть абсолютный предел для всякого научного познания" [5].
Николай Кузанский в трактате Docta ignorantia (1440 г.) названием этого трактата ввел понятие "ученое незнание", т.е. осведомленность о незнании, которое растет со знанием и мудростью - чем больше мы знаем, тем больше наше знание о непознанном, тем более четкими представляются границы незнания. Как отмечал Н.А.Бердяев, "В науке всегда жили и боролись две души, и одна из них жаждала познания мировой тайны. Но науку создавала не эта душа, эта душа всегда склонялась к философии, к теософии, к магии" [5]. В книге С.Вайнберга побеждает рациональная душа, не признающая Тайны мироздания, но раскрывающееся через науку незнание снова отсылает к Тайне.
В заключение главы о Боге С.Вайнберг цитирует древнюю книгу (700 г.) преподобного Беды, слова вельможи при дворе короля Эдвина Нортумберийского: "...человек на мгновение появляется на земле, но откуда он приходит, где был до этой жизни, мы совсем не знаем". Эта цитата перекликается с изречением Паскаля: "Как не знаю я, откуда пришел, так не известно, куда иду." Комментируя высказывание Паскаля, Б.П.Вышеславцев писал: "В самом вопросе: откуда и куда? - в самом изумлении при созерцании этого чуда самосознания, этой неизвестно откуда брошенной и неизвестно кем зажженной искры - есть уже переживание таинственной зависимости от трансцендентного" [6]. С.Вайнберг чувствует все, что стоит за этими словами, но отвергает поиски утешения в вере, полагая, что сама честь устоять перед таким соблазном может дать удовлетворение. Проявляя несвойственный физикам интерес к религии, С.Вайнберг встает на путь, о котором отец Павел Флоренский заметил, что всякое мышление, даже из религии не исходящее и мыслящее о чем угодно, при известной последовательности ходов становится религиозным, доходит до религии. Но это еще не означает Благодати [7].
Главы о философии науки перемежаются главами, в которых ярко и оригинально рассказана история физики XX века, изложен взгляд автора на общие законы развития науки и показана роль ее творцов. Оглядываясь на пройденный физикой путь, С.Вайнберг убеждает читателя, что он ведет к окончательной теории, хотя препятствия, которые предстоит преодолеть, весьма серьезны.
Первым реальным шагом к окончательной теории стало, по мнению С.Вайнберга, открытие квантовой механики в середине 20-х годов XX века. Историческое значение квантовой механики в том, что она изменила смысл вопросов, которые можно задавать природе. На ее основе построены все современные физические теории и, если что-то в нашем понимании природы и сохранится в окончательной теории, то это квантовая механика.
В квантовой механике разработан совершенно новый подход к описанию состояния системы, она определяется совокупностью чисел, известных как значения волновой функции, где каждое число соответствует одной из возможных конфигураций системы. Нильс Бор особенно подчеркивал одну особенность квантовой механики, которую он назвал дополнительностью: знание одного аспекта системы мешает знанию некоторых других ее аспектов. Примерно к 1930 г. в Копенгагене в Институте теоретической физики у Нильса Бора сложилась ортодоксальная формулировка квантовой механики. Существо копенгагенской интерпретации в том, что проводится резкое различие между самой системой и прибором, который используется для измерений ее конфигурации. Прибор является посредником между микромиром системы и макромиром и описывается классически, т.е. способом, существовавшим в физике до квантовой механики. В промежутках между измерением значения волновой функции определяются симметричным детерминистическим уравнением, уравнением Шредингера. Пока это происходит, нельзя сказать, что система имеет какую-то определенную конфигурацию. Когда же проводятся измерения какого-то одного аспекта системы, например, координат всех частиц, система переходит в определенное состояние, реализуется одна из возможных конфигураций с вероятностью, задаваемой квадратами значений волновой функции.
Из неудовлетворенности различием подходов в описании системы и наблюдателей возникла новая интерпретация квантовой механики, впервые предложенная Хью Эвереттом. Эта интерпретация породила концепцию многовариантности в духе многих Миров. По Эверетту в процессе измерения система и прибор приходят во взаимодействие, в результате которого волновая функция, описывающая и систему и прибор, принимает определенное значение для всех возможных результатов измерений. Каждому из них соответствует свое значение энергии и , поскольку прибор принадлежит макромиру, эти значения сильно различаются одно от другого. Получается как бы множество радиостанций каждая со своей частотой, и эти частоты сильно разнесены. Наблюдение стрелки на шкале подобно настройке на одну из таких радиостанций, между которыми нет взаимовлияния. Вероятность, с которой происходит настройка, пропорциональна интенсивности. Отсутствие взаимовлияния означает, что мировая история в действительности расщепляется на разные возможные пути и эти варианты реализуются с такими же вероятностями, как в копенгагенской интерпретации. Но, вычисляя вероятности находиться в той или иной конфигурации для системы, состоящей из объекта измерения и прибора, мы неявно вовлекаем и наблюдателя, который обнаруживает стрелку прибора в определенном положении. При этом прибор трактуется квантовомеханически, а наблюдатель в классическом смысле. На основе интерпретации Эверетта развита концепция, согласно которой мир не уникален, а существует в бесконечном множестве равноправных копий. Мы наблюдаем лишь одну из них. Эта концепция поразительно совпадает с концепцией движения в совершенно другой сфере - в сфере культуры, которая принадлежит одному из основателей отечественной семиотики, Ю.М.Лотману [8]. Лотман различает движение в форме постепенных изменений, т.е. относительно предсказуемые процессы и процессы, возникающие в результате взрывов, где каждое совершившееся событие окружено облаком несовершившихся. Настоящее содержит в себе потенциально все возможности, и будущее предстает как пространство возможных состояний. Выбор будущего реализуется как случайность. "Одновременно момент выбора есть и отсечение тех путей, которым суждено так и остаться лишь потенциально возможными, и момент, когда законы причинно-следственных связей вновь вступают в свою силу", - пишет Ю.М.Лотман. Представляя собой антитезу, эти два пути динамики процессов существуют только в отношении друг к другу: не будь одного, не было бы и другого. Ю.М.Лотман непосредственно сопоставляет исторический, культурный процесс с экспериментом, точный результат которого заранее не известен, т.е. не с демонстрационным экспериментом. "Главный Экспериментатор не педагог, демонстрирующий свои знания, а исследователь, раскрывающий спонтанную информацию своего опыта."
Споры вокруг квантовой механики не прекращаются с момента ее рождения; смысл одного из них С.Вайнберг остроумно передал в форме диалога между персонажами Уолта Диснея - Скруджем и Крошкой Тимом. Однако С.Вайнберг не склонен придавать слишком большого значения фундаментальным проблемам интерпретации квантовой механики, во-первых, потому, что большинству физиков, которые повседневно применяют квантовую механику в своей работе, нет нужды беспокоиться об этих проблемах, а, во-вторых, потому, что они выходят за пределы физики, будучи проблемами языка: единственный язык, который у нас есть, создан в мире почти во всем подчиненном законам классической физики. Но именно это положение вещей может оказаться критическим, если рассматривать квантовую механику как вполне завершенный раздел окончательной теории.
В.В.Налимов считает необходимым найти единый язык для описания и сознания, оперирующего смыслами, и физической материи. Такой язык, по его мнению, может оказаться языком геометрических представлений. В.В.Налимов исходит из того, что современная физическая теория - это теория явлений вместе с теорией "наблюдателя", т.е. теория погружения некоторого внешнего опыта (реальности) в семантическую среду наблюдателя, внутри которой, собственно, и делаются суждения об опыте. Объединение семантического и физического начал мироздания и представляется В.В.Налимову как сверхединая теория поля [4].
С.Вайнберг неоднократно пытался разработать альтернативу квантовой механике, теорию, предсказания которой близки, но не полностью совпадают с выводами квантовой механики. В результате он установил, что в ней нельзя изменить ничего существенно, не разрушив эту теорию полностью. Такое качество теории в глазах С.Вайнберга свидетельствует, что квантовая механика войдет в окончательную теорию не как приближение к более глубокой истине, а как готовая составная часть.
В главе о квантовой механике ее создатели предстают либо как мудрецы, авторы логически последовательных, упорядоченных работ, либо как волшебники, в чьих работах ход рассуждений не всегда удается проследить, это озарение на дологическом уровне мышления.
В главе "Рассказы о теории и эксперименте", анализируя отношения между ними, С.Вайнберг рассказывает о путях к признанию трех физических теорий - общей теории относительности (ОТО), квантовой электродинамики (КЭД) и теории электрослабого взаимодействия.
Над ОТО Эйнштейн работал с 1907 г. и опубликовал ее в серии статей 1915-16 гг. В ОТО им был найден путь, как устранить противоречие между новым взглядом на пространство и время, к которому он пришел в специальной теории относительности, и в теории тяготения Ньютона. В ОТО гравитация рассматривается как результат геометрической кривизны пространства-времени, обусловленной как материей, так и энергией. Новая теория гравитации уже к середине 1920-х годов получила признание, вошла в учебники и остается живой теорией, в русле которой проводятся исследования. Своим ранним признанием, как считает С.Вайнберг, ОТО обязана красотой идеи, лежащей в ее основании. Красоту ОТО он видит в особой строгости, в неотменяемости ее положений. В теории Эйнштейна гравитационная сила, действующая на любой объект, просто обязана быть пропорциональна его массе и не должна зависеть ни от каких других его свойств, иначе теоретические построения ОТО были бы невозможны. Основные положения ОТО влекут за собой требование, чтобы обычная сила тяжести убывала по закону обратных квадратов. В теории Ньютона неизбежность этого закона ничем не предопределена, он просто удобен для объяснения фактов, касающихся движения планет вокруг Солнца. Точно так же в теории Ньютона не принципиален факт пропорциональности силы тяжести массе объекта, на который она действует, и то, что эта сила не зависит ни от каких других свойств объекта. Эйнштейн с гораздо большей строгостью, чем Ньютон, объяснил движение небесных тел.
Подтверждения ОТО данными наблюдений пришли с разных сторон. Эйнштейн еще в 1915 г. понял, что его теория объясняет избыточную по сравнению с расчетами по ньютоновской теории величину темпа изменения положения орбиты Меркурия, ее прецессию. Хотя сам Эйнштейн, по его словам, несколько дней был без ума от радости, получив величину, совпавшую с наблюдениями, его расчеты показались сначала не слишком убедительным свидетельством в пользу ОТО, возможно, потому, что всегда существует предубеждение против использования уже накопленных данных в целях подтверждения новой теории.
Одним из предсказаний новой теории Эйнштейна было утверждение о том, что кванты света в гравитационном поле Солнца будут отклоняться, и видимое положение звезд, если их свет проходит вблизи Солнца, окажется иным, чем наблюдаемое тогда, когда поблизости Солнца нет. ОТО получила всемирное признание не только среди физиков, но и за пределами их круга после первых наблюдений этого явления британской экспедицией во время солнечного затмения 1919 г. Впоследствии ни одной из экспедиций, проводивших аналогичные наблюдения в 1922, 1929, 1936 и 1947 гг., не удалось получить столь точного подтверждения теоретических расчетов. С.Вайнберг считает, что участники первой экспедиции подпали под очарование ОТО и, принимая во внимание источники погрешностей, вносили поправки, пока не получили известный им из теории ответ, а после этого перестали искать другие возможные погрешности. Это ни в коей мере не было сознательной фальсификацией, просто известный ответ мог влиять на полученный результат. "То, что экспериментаторы не всегда получают ожидаемый результат, говорит о силе их характера," - считает С.Вайнберг. Как самое убедительное свидетельство в пользу ОТО он рассматривает ее предсказания назад, т.е. объяснение всей совокупности данных о движении тел солнечной системы, накопленных еще до ее создания и уже нашедших объяснение в теории Ньютона. Оценивая наблюдательные данные о движении тел солнечной системы, до создания ОТО нельзя было выделить среди всегда существующих аномалий наиболее важную. "Потребовалась новая теория, - утверждает С.Вайнберг, - чтобы понять, какие наблюдения существенны, а какие нет.
Квантовая электродинамика зародилась в конце 1920-х годов. Она описывает взаимодействие фотонов, квантов электромагнитного поля, с электронами и некоторыми другими частицами. Это исторически первая квантовая теория поля. Почти сразу же обнаружилось глубокое внутреннее противоречие КЭД, получившее название ультрафиолетовой катастрофы. При расчете взаимодействия электрона с фотонами сколь угодно больших энергий получались бесконечные величины, а, поскольку большая энергия фотона соответствует коротким ультрафиолетовым волнам, то отсюда и название ситуации. На протяжении 30-х и начала 40-х годов физики пришли к общему мнению, что КЭД применима к взаимодействию частиц с не слишком большими энергиями. В 1947 г. Уиллис Лэмб с помощью нового радиоспектроскопического метода точно измерил одну разновидность эффекта, который безуспешно пытались рассчитать теоретики методом КЭД. "Само по себе это измерение не внесло ничего нового в решение проблемы расходимостей, но заставило физиков снова заняться этой проблемой," - отмечает С.Вайнберг.
В результате работ нескольких теоретиков КЭД была спасена, и спасла ее идея взаимного уничтожения бесконечно больших величин за счет переопределения, или перенормировки, характеристик электрона - его заряда и массы. Идея перенормировки состоит в том, что наблюдаемые в эксперименте конечные величины характеристик электрона отличаются от "голых" значений этих величин. Под влиянием вкладов, который дает процесс взаимодействия электрона с фотонами сколь угодно больших энергий, ненаблюдаемые "голые" значения массы и заряда электрона бесконечно велики. Бесконечности, возникающие в расчетах, входят в них определенным образом, который свойствен лишь ограниченному классу теорий, отличающихся особой красотой, и только благодаря этому бесконечности взаимно уничтожаются, спасая теорию от ультрафиолетовой катастрофы.
Теоретически вычисленные значения по всем эффектам КЭД находятся в прекрасном согласии с опытными данными. Например, достигнутый уровень соответствия между расчетным и экспериментальным значениями аномального магнитного момента электрона является рекордным (совпадение до 10-го знака после запятой) и самым впечатляющим в физике.
Но при всех успехах КЭД в ее перенормированном варианте сам факт, что в теории фигурируют бесконечные величины, вызывает у многих ее неприятие. Вот что пишет о перенормировке, называя ее "дурацким приемом", один из создателей современного варианта КЭД Ричард Фейнман: "Необходимость прибегнуть к такому фокусу-покусу не позволила нам доказать математическую самосогласованность квантовой электродинамики. Удивительно, что до сих пор самосогласованность этой теории не доказана тем или иным способом: я подозреваю, что перенормировка математически незаконна" [9].
С.Вайнберг иного мнения об этой теории. Он не видит в процедуре перенормировки произвола и домысла, а считает, что она нужна для корректного определения того, что реально наблюдается в эксперименте.
Расхождение в оценке КЭД двумя виднейшими теоретиками объясняется, по-видимому, различием эстетических критериев, которыми они пользуются. Для С.Вайнберга существенно, что эта теория "содержит в себе объяснение, почему ее путь таков, какой он есть; любое малое изменение теории привело бы не только к расхождению с экспериментом, но и к совершенно абсурдному результату - расходящемуся ответу на очень тонкий вопрос".
С.Вайнберг является одним из авторов теории электрослабого взаимодействия, и читатель получает о ней представление из первых рук. Это история открытия Америки при поиске пути в Индию.
С того времени, как Анри Беккерель впервые наблюдал радиоактивный распад в 1896 г., и стало известно о существовании слабой ядерной силы, начались попытки создания ее теории. Значительным достижением на этом пути стала теория, созданная в начале 1930-х годов Энрико Ферми. В ней слабая ядерная сила в отличие от гравитационной или электромагнитной не действовала на расстоянии, а превращала нейтрон в ядре атома в протон и мгновенно создавала две вылетающие при бета-распаде из ядра частицы - электрон и антинейтрино. Все эти события связывались с одной и той же точкой пространства. Теория Ферми приняла завершенный вид в 1957 г. после экспериментальных исследований нескольких важных для теории проблем. Однако теория Ферми не могла дать ответ на многие вопросы, т.к. в расчетах возникали неустранимые расходимости. Кроме неперенормируемости, другим недостатком теории было большое число произвольных допущений. Все это заставляло искать более удовлетворительную теорию, этим занимался и С.Вайнберг, но в 1967 г. он работал над теорией сильного ядерного взаимодействия. Идеи, которые он пытался использовать, оказались бесполезными применительно к сильному ядерному взаимодействию, но ему удалось увидеть возможность построить на их основе теорию слабого взаимодействия.
В КЭД сила взаимодействия между удаленными частицами создается в результате обмена фотонами. Слабая сила в новой теории вызывается обменом фотоноподобными частицами. Эти частицы появляются в теории аналогично тому, как в КЭД фотоны, и это позволяло надеяться, что новую теорию можно будет перенормировать.
"В процессе работы я обнаружил, - свидетельствует С.Вайнберг, - хотя в начале ее такой идеи у меня не было, что получена не только теория слабой силы, построенная по аналогии с электромагнетизмом, оказалось, что это единая теория слабой и электромагнитной сил, которые она рассматривает как два совершенно разных аспекта того, что впоследствии было названо электрослабой силой."
Теория объединила в тесно связанное семейство фотон и три фотоноподобные частицы: две W-частицы с электрическими зарядами противоположных знаков и частицу Z с нулевым зарядом. По существу к такой же теории независимо пришел в 1968 г. Абдус Салам, а отдельные ее аспекты были даже раньше предсказаны в работе Шелдона Глэшоу.
Однако ни С.Вайнберг, ни А.Салам не смогли, хотя и пытались, доказать, что новая теория устранит проблему расходимостей для слабых сил. Это удалось аспиранту Утрехтского университета т'Хоофту. После его работы новая теория предстала как самосогласованная и она сразу стала популярной, хотя, как и прежде не получила экспериментальных подтверждений. С.Вайнберг приводит данные об индексе цитирования своей статьи 1967 года. Первая ссылка не нее появилась в 1970 г; после публикации статьи т'Хоофта работа С.Вайнберга получила в 1972 г. сразу 65 ссылок, в 1973 г. их было 165 и в 1980 г. это число достигло 330. Статья С.Вайнберга оказалась самой цитируемой работой по физике элементарных частиц за последние 50 лет.
Первые подтверждения существования обменов Z-частицами, т.е. их взаимодействий с кварками, электроном и нейтрино были получены в сложных экспериментах сначала в ЦЕРНе, а затем в Национальной лаборатории Ферми в 1973 г. В этих экспериментах по поиску особого вида рассеяния пучка нейтрино ядром атома наблюдались предсказанные теорией взаимодействия, нейтральные токи. После 1974 г. электрослабая теория стала общепризнанной. Она оказалась по отношению к данным наблюдений в том же положении, что в свое время ОТО. Электрослабая теория объяснила все свойства слабых сил, объяснение которым уже дала теория Ферми, а также все свойства электромагнитных сил, которые объяснила КЭД. Но, если теория Ферми объяснила слабые силы на основе допущений, произвольных в том смысле, как в ньютоновской теории тяготения произволен закон обратных квадратов, то электрослабая теория объяснила сами эти допущения.
Тяжелые времена для электрослабой теории настали в 1976 г. Отрицательные результаты экспериментов по поиску одного предсказанного теорией эффекта асимметрии между правым и левым, выполненных в Сиэттле и в Оксфорде, вызвали сомнение в правильности частного варианта теории, разработанного С.Вайнбергом и А.Саламом, хотя общие идеи электрослабой теории серьезным сомнениям не подвергались. С.Вайнберг сожалеет о времени, которое он вместе с другими теоретиками затратил на поиски возможностей модифицировать теорию и, частично жертвуя красотой теории, привести ее в согласие с данными экспериментов. Ему все же удалось показать, почему нет реального пути привести свою теорию в соответствие как с данными Оксфорда и Сиэттла, так и с данными ЦЕРНа и Лаборатории Ферми. В 1978 г. в Станфорде искомый эффект асимметрии был обнаружен в эксперименте, поставленном по новой методике.
Триумф теории наступил в 1983-84 гг., когда в ЦЕРНе открыли сначала W- , а затем и Z-частицы, существование и свойства которых были правильно предсказаны теорией в ее первоначальном варианте. Оглядываясь назад, С.Вайнберг цитирует Эддингтона: "Не следует верить никакому эксперименту до тех пор, пока он не совпадет с теорией".
"По-видимому все, что можно сказать о том, как теория и эксперимент могут взаимодействовать, наверное, будет правильным, но что бы ни говорили о том, как они должны взаимодействовать, все это может оказаться неверным", - подводит С.Вайнберг итог этой главы и подчеркивает, что никак нельзя представить эксперименты такого рода, которые опровергали бы общепринятые теории, являющиеся частью достигнутого в физике консенсуса. Залогом продвижения по пути, ведущему к открытию окончательных законов природы, он считает эстетическое чувство, руководствуясь которым физики оценивают теории. Оказывается, что "мы учимся предчувствовать красоту природы на ее самых фундаментальных уровнях".
Рассматривая стандартную модель как существенный этап на пути к окончательной теории, С.Вайнберг в гл. YIII анализирует ее недостатки. Главным из них он считает то, что не решена проблема объединения четырех сил природы. Несмотря на то, что электромагнитное и слабое взаимодействие удалось объединить, источник очевидных различий между ними до конца не понятен. Это обстоятельство позволило Ричарду Фейнману утверждать, что связь между фотоном и частицами W, Z ясно не видна: все еще мешают швы в теориях, белые нитки [9]. Сильное взаимодействие входит в стандартную модель иначе, чем электромагнитное и слабое взаимодействие, и совершенно в стороне от нее остается гравитация. Источником многих подходов в стандартной модели являются не фундаментальные принципы, как бы того ни хотелось, а данные экспериментов.
Уравнения стандартной модели, определяющие свойства частиц, содержат в себе пространство внутренних симметрий. Оно характеризуется не только пространственно-временными координатами, но и значениями некоторого набора из полей, квантами которого и являются эти частицы. Симметрия уравнений не обязательно проявляется в каждом их частном решении, а определяет свойства всей совокупности решений. Нарушение симметрии проявляется в различии решений. "Нарушение симметрии - это понятие совершенно в духе Платона: реальность, которую мы наблюдаем в своих лабораториях - это всего лишь несовершенное отражение более глубокой и прекрасной реальности - реальности уравнений, которые отражают все симметрии, свойственные теории", - так характеризует структуру стандартной модели С.Вайнберг.
Именно симметрия объединяет слабое и электромагнитное взаимодействие, а ее нарушение проявляется, например, в непохожести безмассового фотона на очень массивные W, Z частицы. "Самое важное, что нам еще не известно о стандартной модели, - это причина нарушения электрослабой симметрии", - так формулирует основную проблему С.Вайнберг.
В качестве физической причины нарушения симметрии оригинальная версия теории постулирует существование нового поля, и по меньшей мере один из его квантов должен быть наблюдаемым. Эта гипотетическая частица, известная под именем хиггсовского бозона, пока еще не открыта. Предполагается, что ее масса в 100 раз больше массы протона, и существующие ускорители элементарных частиц не обеспечивают необходимой энергии процессов, в которых эта частица могла бы возникнуть. Ответ на вопрос, существует ли реально частица Хиггса или же несколько частиц этого типа, а если да, то каковы их массы, прольет свет не только на механизм спонтанного нарушения симметрии между слабым и электромагнитным взаимодействиями.
С фундаментальной точки зрения очень важна проблема объяснения величин масс наблюдаемых частиц. При чрезвычайно высокой энергии, когда W и Z-частицы генерируются столь же легко, как и фотоны, события, обусловленные электромагнитными и слабыми силами, неразличимы. В уравнениях теории непосредственно фигурирует лишь масса хиггсовской частицы, массы W и Z-частиц возникают в результате нарушения симметрии и они пропорциональны массе частицы Хиггса. Предстоит доказать, что все это происходит реально.
Механизм нарушения симметрии важен для понимания событий, происходивших в первые мгновения Большого Взрыва. Электрослабый фазовый переход при уменьшении температуры не мог наступить везде и сразу одинаковым образом. Следы особенностей протекания этого космологического процесса могли сохраниться, но, пока не будет понят механизм спонтанного нарушения симметрии, невозможно конкретно указать, что нужно искать астрофизикам.
Не исключает С.Вайнберг возможности нарушения электрослабой симметрии за счет непрямого эффекта, обусловленного каким-то новым видом силы.
Успех малого объединения породил надежду построить более общую теорию сходной структуры и получить Великое объединение трех сил, - электромагнитной, слабой и сильной в рамках одной большой и спонтанно нарушаемой симметрии. В любой теории поля силы определяются параметрами двух родов - массами частиц, переносчиков сил, и константами связи. Массы возникают в результате спонтанного нарушения симметрии, но константы связи непосредственно входят в уравнения. Сильная ядерная сила значительно превышает электромагнитную, хотя обе они переносятся безмассовыми частицами: первая - глюонами, а вторая - фотонами. Есть гипотеза, что существует такая энергия, при которой все константы связи устремляются к одной величине. Оценки этой энергии дают 10.S024.T или 10.S025.T электрон-вольт. С другой стороны, в любой теории, которая пытается объединить гравитацию с другими силами природы, естественным образом появляется еще одна гигантская энергия, известная как планковская энергия, величина которой составляет 10.S027.T электрон-вольт.
Факт относительной близости этих двух энергий С.Вайнберг рассматривает как убедительное свидетельство в пользу того, что "нарушение какой бы то ни было симметрии, объединяющей сильное и электрослабое взаимодействия, есть лишь часть нарушения более фундаментальной симметрии - некоей симметрии, связывающей гравитацию с другими силами природы". Планковская энергия возникает в физике на столь глубоком уровне, что, как полагает С.Вайнберг, "планковская энергия - это просто фундаментальная единица энергии, фигурирующая в уравнениях окончательной теории". Тайна в том, почему так малы все другие энергии, и "эта тайна заставляет искать ключи за рамками самой проблемы".
Естественно с этой точки зрения рассматривать уравнения стандартной модели как низкоэнергетическое приближение, которое при энергиях, близких к планковской, перестает быть справедливым. Тогда можно отказаться от требования перенормируемости уравнений и допустить, что, кроме самых простых перенормируемых членов, в них могут входить и другие, совместимые с симметрией теории, но с множителями, обратно пропорциональными степеням величины, похожей не планковскую энергию. Влияние этих членов на любой процесс будет пропорционально отношению энергии процесса к планковской энергии, т.е. ничтожно малой величине для подавляющего большинства наблюдаемых процессов.
Последствия такого пересмотра требования перенормируемости заключаются в отказе от некоторых законов сохранения. Это позволяет допустить существование распадающегося протона, но с очень большим средним временем жизни. (Малым оно никак не может быть, поскольку окружающая нас материя стабильна.) Существуют и создаются новые экспериментальные установки для регистрации событий, сопровождающих распад протона. Другой из подвергающихся сомнению законов сохранения требует, чтобы нейтрино были безмассовыми частицами и, если он нарушается, у нейтрино должны наблюдаться малые массы и существовать эффекты, этим обусловленные, для наблюдения которых также ставятся эксперименты. "Если повезет, мы все же сможем обнаружить явное свидетельство распада протона или наличия масс у нейтрино," - с надеждой и грустью пишет С.Вайнберг в своей книге, которой он хотел убедить общественность в необходимости выделить средства на продолжение и завершение строительства американского суперколлайдера в штате Техас, в округе Эллис. Только суперколлайдер с достаточно высокой энергией и интенсивностью потоков частиц мог бы дать ответы на ключевые вопросы физики на исходе XX века - либо через открытие одной или нескольких хиггсовских частиц, либо через открытие признаков нового сильного взаимодействия, суперсилы. В последнем случае на суперколлайдере было бы получено обширное множество новых частиц с огромными массами. Изучение таких частиц позволило бы понять, что происходит на значительно более высоких энергиях, когда все силы, не исключая и гравитации, объединяются на основе сверхсимметрии. Пока же в фундаментально важной физике элементарных частиц "все движется со скоростью ледника" и отсюда блюзовые ноты этой главы.
В гл. IX С.Вайнберг делает попытку представить облик окончательной теории предположив, что до нее рукой подать, хотя и не исключает возможности временной дистанции в сотни лет. Он уверен, что одна из составных частей окончательной теории нам хорошо известна и это - квантовая механика. Аргументы в обоснование такого видения роли квантовой механики С.Вайнберг, как уже отмечалось, привел в отдельной главе. Здесь же он говорит, что квантовая механика предоставляет сцену, на которой разыгрывается все явления мистерии Вселенной. Однако не квантовая механика определяет, что за персонажи выходят на эту сцену. Само по себе квантовомеханическое описание приложимо с тем или иным результатом к огромному множеству всевозможных физических систем. История физики нашего века позволяет понять все яснее и яснее, что действующие лица в театре природы допускаются на сцену принципами симметрии. Соображения симметрии прослеживаются в любой из физических теорий, созданных за последние сто лет. Симметрии приводят к законам сохранения, связывающим все возможные в природе процессы независимо от того, какие силы их вызывают.
Основываясь на этом историческом опыте, С.Вайнберг предполагает, что "Окончательная теория будет опираться на принципы симметрии" и выражает надежду на то, что "эти симметрии объединят гравитацию со слабыми, электромагнитными и сильными взаимодействиями стандартной модели". Какие это симметрии, до сих пор не выяснено, и у нас нет математически удовлетворительной квантовой теории гравитации, которая могла бы включить в себя симметрии, свойственные ОТО."
Все теории, образующие стандартную модель, являются квантовыми теориями поля (КТП). В последние два десятилетия постепенно и с разных сторон проясняются существенные ограничения на область применимости КТП. Появились основания считать, что КТП, подобная стандартной модели, представляет собой низкоэнергетическое приближение к искомой фундаментальной теории и все в большей степени рассматривать ее как эффективную теорию поля, которая хорошо работает при достаточно малой энергии.
Началом новой эры в физике может оказаться разработка теорий совсем другой структуры, чем КТП, - теории струн. Именно теории струн С.Вайнберг рассматривает в качестве основного кандидата на роль окончательной теории.
Зарей теории струн был 1968 г., когда очень молодой физик из ЦЕРНа Габриел Венециано построил на удивление простую формулу, которая давала вероятности рассеяния двух частиц с различными энергиями и под разными углами и соответствовала некоторым общим требованиям теории относительности и квантовой механики. Скоро эта формула стала очень популярной среди теоретиков, получила развитие и обобщение в работах, относящихся к сильному ядерному взаимодействию. В то время теория сильных ядерных сил, известная теперь как квантовая хромодинамика, еще не была создана, и предпринимались попытки понять сильные взаимодействия вне связи с квантовой теорией поля. В процессе работы теоретики пришли к мысли, что формула Венециано и все ее расширенные и обобщенные варианты описывают физическую сущность нового типа - релятивистскую квантовомеханическую струну. Как оказалось, струна может выступать во множестве ипостасей. Концы струны могут быть свободными или замкнутыми наподобие кольца, а сама она находится в одном из бесконечного множества возможных состояний, форм колебаний. Колебания струны не затухают. Если не рассматривать очень малые расстояния, струна выступает как частица. Одно из возможных состояний струны было отождествлено с безмассовой частицей, имеющей спин, равный удвоенному спину фотона. Произошло это тогда, когда теории струны считались теориями сильного взаимодействия. Но среди частиц, участвующих в сильных взаимодействиях, подобных найденной нет. Безмассовая частица со спином, равным удвоенному спину фотона, известна как гравитон, квант гравитационного излучения. Частица, полученная в ранней теории струн, отличалась, однако, и от гравитона в том важном отношении, что обмен этой найденной частицей порождал силы, подобные силам тяжести, но только в 10.S038.T сильнее. Выход из противоречия был найден в начале 1980-х годов и состоял он в увеличении натяжения струны в уравнениях теории, чтобы разность энергий струны в ее наинизшем и следующим за ним состояниях составила около 10.S018.TэВ, и гравитация стала такой же большой, как и другие силы. "Как часто случается в физике, теоретики получили правильное решение ошибочной задачи," - комментирует обстоятельства открытия гравитона в теории струн С.Вайнберг. Поскольку гравитон с неизбежностью задается любой теорией струн, можно сказать, что теория струн объясняет, почему существует гравитация. Включая в себя наряду с гравитоном и множество других частиц, теории струн создают основу для возможной окончательной теории. К тому же они лишены недостатка многих предшествующих теорий - проклятия расходимостей, возникающих в них, когда частицы рассматриваются как точки. Хотя струна и отождествляется с точечной частицей, на самом деле это протяженный объект, который можно себе представить как очень маленький разрез в гладкой ткани пространства.
Серьезный интерес к теориям струн начал проявляться с 1984 г., когда несколько таких теорий выдержали проверку на математическую непротиворечивость, и было показано, что в низкоэнергетическом приближении они становятся весьма близкими к стандартной модели. С тех пор выяснилось, что существуют тысячи внутренне согласованных теорий струн. Квантовомеханическая состоятельность этих теорий гарантируется особой, так называемой, конформной симметрией. В отличие от всех предшествующих теорий симметрия здесь не привносится извне, а является следствием конкретного способа, которым в данной теории удовлетворяются требования квантовой механики, поскольку тысячи отдельных теорий предлагают разные пути удовлетворения этим требованиям. Для теорий струн естественно, что константы связи сильной и электрослабой сил становятся равными при очень большой энергии, обусловленной натяжением струны, даже если нет симметрии, объединяющей эти силы. Существует тенденция рассматривать все множество теорий струн как различные решения в рамках более глубокой пока никому не известной теории. К сожалению не найдена какая-нибудь одна теория, которую можно было бы назвать единственно приемлемой не только для описания реального мира, но и для объяснения, почему этот мир такой, какой он есть. Теории струн требуют от теоретиков очень больших затрат времени, и специальными вопросами этих теорий владеют очень немногие из тех, кто работает над другими проблемами или занят экспериментами в физике высоких энергий. Поэтому отношение к теориям струн у физиков очень разное - от настороженного до восторженного. С.Вайнберг с энтузиазмом относится к перспективам этих теорий.
В поисках критерия, который дал бы возможность выбрать из предлагаемых теориями струн кандидатур одну как основу окончательной теории, С.Вайнберг обращается к антропному принципу. Он идет на это за неимением лучшего и против своих убеждений, считая, что "физические постоянные заданы теми или иными принципами симметрии," и рано или поздно будет показано, что "существование определенных форм жизни не есть результат поразительно тонкой настройки законов природы".
Единственная физическая постоянная, для которой С.Вайнберг готов сделать исключение, известна как космологическая постоянная. В свое время Эйнштейн ввел в уравнения тяготения ОТО дополнительный член, соответствующий гравитационным силам отталкивания, действующим наряду с силами притяжения, создаваемыми обычной материей. Дополненные членом с положительной космологической постоянной уравнения были нужны Эйнштейну для построения модели стационарной Вселенной, какой она казалась в те годы, чтобы уравновесить силы притяжения силами отталкивания. Отличную от нуля плотность энергии вакуума принято называть в ОТО "космологическая постоянная". Когда наблюдения спектров удаленных светил были истолкованы после 1929 г. в духе расширяющегося мира, Эйнштейн отказался от космологического члена и даже раскаивался, что ввел его. Но, коль скоро космологический член не является чужеродным в уравнениях ОТО, многие физики считают, что космологическую постоянную следует определить теоретически и из наблюдений.
Космологическая постоянная дает то преимущество, что, как впервые это показал Эйнштейн, позволяет согласовать космологическую модель с наблюдениями. Эту постоянную можно использовать, например, для увеличения возраста Вселенной, поскольку энергия вакуума может существенно влиять на историю ее расширения. Новую интерпретацию космологический член получил с точки зрения физики элементарных частиц.
Существуют привлекательные во многих отношениях так называемые инфляционные модели эволюции Вселенной в первые моменты Большого Взрыва. На определенном этапе они дают такой закон расширения Мира, который соответствует равным относительным приращениям масштаба за каждый равный промежуток времени так, что вся картина расширения не меняется со временем. На протяжении инфляции космологическая постоянная превосходит ту ее величину, которой пользовался Эйнштейн, в 10.S0108.T раз! Если же сравнить с конечным, эйнштейновским, значением требуемую в инфляционных моделях начальную величину космологической постоянной, то отношение этих величин составит 10.S0-126.T [10]. Это действительно сверхтонкая настройка! Попытка привлечь для истолкования такого чуда теории струн только усугубляет дело. Вот здесь С.Вайнберг делает уступку антропному принципу: "Может оказаться, что в том или ином смысле существует много разных Миров, каждый со своей величиной космологической постоянной. Если это так, то единственный Мир, в котором мы можем надеяться себя найти, тот, где полная космологическая постоянная достаточно мала, чтобы жизни стало позволительно возникнуть и развиться". Чрезвычайно интересно, что идея "антропного" зануления космологической постоянной была выдвинута и разрабатывалась А.Д.Сахаровым [13].
Сегодня нельзя исключить, что наблюдения дадут некое очень малое, но отличное от нуля значение космологической постоянной. Это дает основания для вывода, "что наше собственное существование играет большую роль в объяснении, почему мир таков, какой он есть". Но С.Вайнберг надеется на лучшее с его точки зрения, на теорию, которая "будет обладать достаточной предсказательной силой, чтобы дать значения всех физических констант, включая и космологическую постоянную".
В итоговой для основного содержания книги главе Х С.Вайнберг возвращается к философским вопросам окончательной теории. Он признает, что не все согласны допустить саму возможность обладания окончательными физическими принципами. Глава современных философов науки Карл Поппер утверждает, что "не существует объяснения, которое само по себе не нуждалось бы в следующем объяснении" и верит в бесконечную цепь все более и более глубоких принципов. Другая возможность состоит в том, что цепочка объяснений окажется замкнутой. С.Вайнберг противопоставляет таким мнениям весь опыт своей работы и уроки истории физики, которые свидетельствуют, что физические теории неуклонно становятся проще и более общими, и это было бы трудно понять, если не считать стрелы объяснений сходящимися.
Еще более радикальное мнение высказывает Дж.Уилер. Он считает, что фундаментальных законов не существует: физики изучают законы, которые они навязывают природе выбором способов наблюдения. По С.Вайнбергу такая точка зрения является просто уходом от проблемы окончательных законов. Он считает, "что все попытки обойтись без фундаментальных законов природы, если это вообще реально, сведутся просто к введению метазаконов, описывающих происхождение того, что мы сейчас называем законами".
Помимо принципиальных препятствий к достижению окончательных принципов могут быть и иные: у человечества может не хватить для этого интеллектуальных или материальных ресурсов. Возможно, что сам путь неуклонного наращивания необходимых для экспериментов энергий и интенсивностей пучков частиц вообще не приведет к цели. Трудность задачи в том, чтобы сконцентрировать высокую энергию порядка планковской на одном протоне или электроне. "Мы можем найти много способов построить такие ускорители по-другому, чем это делается сейчас, возможно, с использованием ионизованного газа для облегчения передачи энергии мощных лазерных лучей отдельным заряженным частицам, но при этом скорость реакций частиц при таких энергиях будет мгновенной, и эксперимент окажется невозможным," - так оценивает С.Вайнберг технические трудности. Он считает, что "более вероятен прорыв в теории или технике эксперимента, который когда-нибудь избавит от необходимости строить ускорители все больших и больших энергий". Возможно, было бы достаточно и суперколлайдера SSC, чтобы получить такую информацию, которая озарила бы теоретикам путь к окончательной теории, не требующий изучения частиц при планковских энергиях. В любом случае, по словам Я.Б.Зельдовича [11], "для понимания существования протонов и нейтронов нужно знать о всех типах частиц".
Предположим, что мечты об окончательной теории сбылись. Это был бы, по словам С.Вайнберга, "разрыв в интеллектуальной истории человечества, самый резкий с начала современной науки в XYIIв." Окончательная теория (в согласии с принципом соответствия) не отменит существующие теории или, как говорит об этом С.Вайнберг, не будет логически неизбежной, но она "может оказаться столь жесткой, что нельзя будет хотя бы немного изменить ее, не придя к логическому абсурду". В таком случае, несмотря на то, что можем еще не знать, почему окончательная теория верна, мы с помощью чистой математики и логики будем знать, почему истина не может быть немного другой", - такое свойство теории С.Вайнберг характеризует как логическую изолированность. Но остается вопрос, почему окончательная теория должна описывать что-то напоминающее наш мир? Ответ может дать, как думает С.Вайнберг, принцип, выдвинутый философом из Гарварда Робертом Ноузиком (Nozick), который его автор назвал принципом плодородия. Принцип плодородия утверждает, что все различные логически приемлемые миры в некотором смысле существуют, каждый со своим множеством фундаментальных законов. Сам принцип ни на чем не основан, но обладает привлекательной внутренней непротиворечивостью. По словам Ноузика, "все возможности реализуются, причем и сам принцип является одной из них" [12]. Этот принцип снимает проблему объяснения, почему фундаментальная теория такова, какой она окажется или почему окончательные законы нашей Вселенной таковы, какими они являются.
"Можно представить предельную возможность, что существует единственная логически изолированная теория, все постоянные в которой определены и которая совместима с бытием разумных существ, способных познать окончательную теорию," - считает С.Вайнберг. По-видимому, тех разумных существ, которые возникли в результате длинной цепочки случайных мутаций как одной из возможностей, допускаемых принципом плодородия.
Последняя глава рассказывает об истории американского суперколлайдера SSC, строительство которого было свернуто в 1993 г., на следующий год после выхода книги из печати.
Книга С.Вайнберга убедительно свидетельствует о тяжелых временах, переживаемых физикой на исходе ХХ в. Этот кризис, возможно, разрешится путем взрывообразного (в смысле Ю.М.Лотмана) изменения парадигмы, что, согласно Куну, характерно для развития науки. Источники и контуры окончательной теории могут оказаться иными, чем представляется автору этой талантливо написанной книги.