Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы
Шрифт:
Затем последовало разгромное письмо [45] , в котором Майр привел классификацию разных типов редукционизма и идентифицировал мою личную версию этой ереси. Я не понимаю этой классификации; все ее категории звучат для меня одинаково, причем ни одна не соответствует моим собственным взглядам. В свою очередь, Майр (как мне кажется) не понимает того различия, которое я провожу между редукционизмом как общим требованием, необходимым для прогресса в науке, что не совпадает с моими взглядами, и редукционизмом как утверждением порядка в природе, с чем я безусловно согласен 11) . Мы с Майром остаемся в хороших отношениях, но прекратили попытки обратить другого в свою веру.
Б45
См. Мауr E. The Limits of Reductionism и мой ответ в журнале Nature 331 (1987): 475.
А11
Насколько я могу понять, Майр различает три вида редукционизма: конструктивный редукционизм (или онтологический редукционизм, или анализ), являющийся методом изучения объектов путем разложения их на составные части; теоретический редукционизм, являющийся объяснением целой теории с помощью более общей теории; объясняющий редукционизм, представляющий собой точку зрения, что «полное знание о тех далее неделимых составных частях, из которых состоит сложная система, достаточно для ее объяснения». Главная причина, по которой я отвергаю эту классификацию,
С точки зрения национальных планов научных исследований наиболее серьезной является оппозиция редукционизму в рядах самих физиков. Редукционистские притязания физики элементарных частиц глубоко раздражают некоторых ученых, работающих в других областях, например в физике твердого тела, и чувствующих себя участниками соревнования с физиками, занимающимися частицами, за финансирование исследований. Все это в особенно болезненной форме проявилось тогда, когда возникло предложение истратить миллиарды долларов на ускоритель частиц ССК. В 1987 г. руководитель отдела по связям с общественностью Американского физического общества заявил, что проект Суперколлайдера «возможно, сеет самые большие раздоры, которые когда-либо сотрясали физическое сообщество» [46] . За то время, что я входил в состав комиссии наблюдателей за проектом ССК, все члены комиссии, включая меня, множество раз публично разъясняли цели проекта. Один из членов комиссии все время повторял, что мы не должны создавать впечатления, будто думаем что физика элементарных частиц более фундаментальна, чем другие разделы физики, так как это будет только бесить наших коллег. Причина, почему мы давали повод думать, что физика элементарных частиц более фундаментальна, чем другие разделы физики, заключается просто в том, что так оно и есть. Я не знаю, каким образом можно обосновывать расходы на физику частиц, не будучи совершенно искренним. Но утверждение, что физика элементарных частиц более фундаментальна, не означает, что она математически более глубока, более необходима для прогресса в других областях и т.п., а означает лишь, что она ближе всего к точке схождения всех наших стрелок объяснений.
Б46
Park R.L. // The Scientist, June 15,1987 (из доклада на симпозиуме «Большая наука/Малая наука» на ежегодном заседании Американского физического общества 20 мая 1987).
Ученых, огорченных претензиями физики частиц, возглавляет Филипп Андерсон из Принстона, физик-теоретик, высказавший много глубоких идей, лежащих в основе современной физики твердого тела (сюда относятся физика полупроводников, сверхпроводников и многое другое). Андерсон выступил против проекта ССК на тех же слушаниях в комитете конгресса в 1987 г., что и я. Андерсон считал (и я с ним согласен), что исследования в области физики твердого тела недостаточно финансируются Национальным научным фондом. Он высказал мысль (с которой я также согласен), что многие студенты старших курсов соблазняются призрачным блеском физики элементарных частиц, в то время как они могли бы сделать значительно более успешную научную карьеру, занимаясь физикой твердого тела или связанными с ней проблемами. Но далее Андерсон заявил, что «…они [результаты физики частиц] ни в каком смысле не более фундаментальны, чем то, что сделал Алан Тьюринг для создания компьютеров, или Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон для открытия секрета жизни» [47] . Ни в каком смысле не более фундаментальны? Это-то и есть главный пункт наших с Андерсоном разногласий. Я просматривал работы Тьюринга и других основоположников науки о компьютерах, и все эти работы показались мне принадлежащими больше математике или технологии, а не обычным разделам естественных наук. Математика сама по себе никогда ничего не объясняет – это лишь средство, с помощью которого мы используем совокупность одних фактов для объяснения других, и язык, на котором мы выражаем наши объяснения. В то же время описание Андерсоном открытия Криком и Уотсоном двойной спиральной структуры молекулы ДНК (обеспечивающей механизм сохранения и передачи генетической информации) как открытия секрета жизни только укрепляет мои позиции. Такое объяснение открытия ДНК повлечет обвинение некоторых биологов в таком же дурном редукционизме, каким представляются Андерсону притязания физиков, занимающихся частицами. Например, Гарри Рубин писал несколько лет тому назад, что «революция, вызванная открытием ДНК, привела к тому, что целое поколение биологов поверило, будто секрет жизни полностью сокрыт в структуре и функциях ДНК [48] . Эта вера сейчас поколеблена и редукционистская программа должна быть дополнена новыми концепциями». Мой друг Эрнст Майр в течение многих лет борется против редукционистского направления в биологии, которое, как он опасается, пытается свести все, что мы знаем о жизни, к изучению ДНК, и добавляет, что «хотя благодаря открытию ДНК, РНК и т.п. была раскрыта химическая природа ряда черных ящиков классической генетики, все же это ни в коей мере не раскрыло суть передачи наследственности» [49] .
Б47
Цит. по Anderson R.W. Письмо в газету Нью-Йорк Таймс от 8 июня 1986.
Б48
Rubin H. Molecular Biology Running into a Cul-de-sac? Письмо в журнал Nature 335 (19SS): 121.
Б49
Mayr Е. The Growth of Biological Thought: Diversity, Evolution, and Inheritance (Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 1982), p. 62.
Я не собираюсь вступать в эту полемику среди биологов, по крайней мере на стороне антиредукционистов. Нет сомнений, что открытие ДНК оказалось необычайно важным для многих областей биологии. И все же есть некоторые биологи, работу которых непосредственно не затронули открытия в молекулярной биологии. Знание структуры ДНК приносит мало пользы специалисту в области популяционной экологии, пытающемуся объяснить разнообразие видов растений в тропических дождевых лесах, или биомеханику, пытающемуся понять полет бабочек. Я полагаю, что даже если ни один биолог не получил бы никакой пользы от открытий в молекулярной биологии, все же существует один важный аспект этих открытий, который и дает право Андерсону говорить о секрете жизни. Дело не в том, что открытие ДНК было фундаментальным для всех наук о жизни, а в том, что ДНК сама есть основа всей жизни. Живые существа таковы, каковы они есть, потому что они прошли долгий путь эволюции к теперешнему виду, а эта эволюция оказалась возможной благодаря свойствам ДНК и связанных с ней молекул, позволяющим организму передавать свой генетический код потомству. Точно так же, независимо от того, полезны или нет открытия в физике элементарных частиц всем другим ученым, принципы физики элементарных частиц являются фундаментом всей природы.
Оппоненты редукционизма часто ссылаются на то, что открытия в физике элементарных частиц вряд ли могут пригодиться ученым из других областей. Это не согласуется с историческими свидетельствами. Физика элементарных частиц в первой половине ХХ в. была главным образом физикой электронов и фотонов, и она оказала огромное и бесспорное влияние на наше понимание всех форм материи. Открытия в сегодняшней физике элементарных частиц уже значительно влияют на космологию и астрономию. Так, мы используем наши знания о количестве сортов элементарных частиц для расчетов образования химических элементов в первые несколько минут существования Вселенной. Никто не может сказать, какие еще последствия могут иметь эти открытия.
Но
Вообще говоря, элементарные частицы сами по себе не очень интересны, их даже сравнивать нельзя в этом смысле с людьми. Если не считать импульса и спина, каждый электрон во Вселенной похож на любой другой электрон – если бы вы увидели один электрон, считайте, что вы видели все. Но именно из этой простоты вытекает, что электроны, в противоположность людям, не состоят из множества более фундаментальных составляющих, а сами представляют собой нечто, близкое к фундаментальной составляющей всего остального. Элементарные частицы интересны именно потому, что они так однообразны; благодаря простоте их изучение приближает нас к исчерпывающему пониманию природы.
Пример с высокотемпературной сверхпроводимостью помогает уяснить тот специфический и ограниченный смысл, вкладываемый в слова, что физика элементарных частиц более фундаментальна, чем любые другие области физики. Именно в наши дни Андерсон и другие специалисты в области физики твердого тела пытаются понять загадочное возникновение сверхпроводимости в ряде соединений меди, кислорода и более экзотических элементов при температурах, много больших тех, которые считались возможными. В то же время физики, занимающиеся элементарными частицами, пытаются понять происхождение масс кварков, электронов и других частиц, входящих в стандартную модель. (Обе задачи, оказывается, связаны математически; как мы увидим ниже, обе они сводятся к вопросу, каким образом определенные симметрии, которыми обладали исходные уравнения, теряются в решениях этих уравнений.) Нет сомнений, что специалисты по твердому телу рано или поздно решат проблему высокотемпературной сверхпроводимости без всякой прямой помощи со стороны физиков, занимающихся частицами [50] , а когда последние поймут происхождение массы, это скорее всего произойдет без непосредственного участия физиков, занимающихся твердым телом. Разница между этими двумя задачами заключается в том, что когда твердотельщики наконец объяснят явление высокотемпературной сверхпроводимости, то какими бы ослепительными ни были новые идеи, которые будут при этом использованы, все равно в конце концов объяснение примет форму математической выкладки, в которой существование этого явления будет выведено из известных свойств электронов, протонов и атомных ядер. В противоположность этому, когда ученые, занимающиеся физикой частиц, поймут наконец происхождение массы в стандартной модели, объяснение будет основано на тех свойствах стандартной модели, которые нам сегодня совершенно неведомы и которые мы не можем узнать (хотя и можем догадываться) без новых экспериментальных данных, полученных на установках типа ССК. Поэтому физика элементарных частиц представляет собой границу нашего знания в том смысле, который отсутствует в физике твердого тела.
Б50
Я использую здесь слово «прямая», так как на самом деле разные ветви физики оказывают друг другу значительную косвенную помощь. Частично это проявляется в виде взаимного обогащения идеями. Так, физики-твердотельщики добыли один из своих главных математических методов (так называемый метод ренормализационной группы) в физике частиц, а физики-частичники узнали о явлении спонтанного нарушения симметрии из физики твердого тела. В 1987 г. на слушаниях в комитете конгресса, давая показания в поддержку проекта ССК, Роберт Шриффер (один из создателей, вместе с Джоном Бардиным и Леоном Купером, современной теории сверхпроводимости) подчеркнул, что его собственная работа над проблемой сверхпроводимости возникла из опыта работы над мезонными теориями в физике элементарных частиц. (В статье «Джон Бардин и теория сверхпроводимости», опубликованной в журнале Physics Today в апреле 1992 г., Шриффер отмечает, что высказанная им в 1957 г. догадка о виде квантово-механической волновой функции возникла из размышлений о более чем двадцатилетней давности работе Синитиро Томонаги по теории поля.) Конечно, есть и другие способы взаимопомощи разных ветвей физики. Например, если бы не удалось создать магниты со сверхпроводящими обмотками, то энергетические затраты на работу ССК сделали бы проект безнадежно дорогим; синхротронное излучение, испускаемое в качестве побочного продукта в ряде ускорителей высоких энергий, оказалось весьма ценным в медицине и материаловедении.
Само по себе это не решает проблемы распределения денег на исследования. Имеется множество побудительных мотивов научных исследований – применения в медицине и технологии, национальный престиж, любовь к математическим упражнениям, неподдельная радость от того, что стало понятным красивое явление, – которые могут быть удовлетворены при занятиях другими науками точно так же, как и физикой частиц (а иногда и лучше). Физики, занимающиеся элементарными частицами, не считают, что уникальный фундаментальный характер их работы дает им право первыми залезать в общественный кошелек, но они полагают также, что нельзя просто игнорировать это обстоятельство, принимая решения о поддержке научных исследований.
Возможно, наиболее известная попытка установить стандарты для принятия подобных решений принадлежит Альвину Вайнбергу 12) . Еще в статье 1964 г. он предложил такую схему: «Я хотел бы сформулировать критерий научной ценности, предложив, что, при прочих равных условиях, те исследования имеют наибольшую научную ценность, которые наибольшим образом изменяют и делают более ясными соседние научные дисциплины» [51] (выделено им). Прочитав мою статью на ту же тему [52] , Альвин написал мне и напомнил о своем предложении. Я его и не забывал, но с ним не согласен. В ответе Альвину я написал, что рассуждения такого рода могут быть использованы для оправдания траты миллиардов долларов на классификацию бабочек Техаса, так как это могло бы прояснить классификацию бабочек, встречающихся в Оклахоме, а также бабочек вообще. Этот глупый пример призван только показать, что ничего не стоит в обоснование неинтересного научного проекта сказать, что он важен для других неинтересных научных проектов. (Похоже, что после этих слов у меня будут проблемы с лепидоптеристами, которые хотели бы истратить миллиарды долларов на классификацию всех бабочек Техаса.) Но вот чего я действительно не вижу в критерии Альвина Вайнберга, так это редукционистской перспективы, а именно того, что одной из главных причин, делающих столь интересной научную работу, является надежда приблизиться к точке сближения всех наших объяснений.
А12
Мы с Альвином Вайнбергом друзья, но не родственники. В 1966 г., когда я впервые посетил Гарвард, я оказался во время обеда в факультетском клубе за одним столом с покойным Джоном Ван Флеком, несколько резковатым аристократического вида физиком. Он был одним из тех, кто в конце 1920-х гг. впервые применил новые методы квантовой механики к теории твердого тела. Ван Флек спросил меня, не являюсь ли я родственником того Вайнберга. Я был несколько ошарашен, но потом понял, что он имел в виду: в те годы я был довольно молодым теоретиком, а Альвин был директором Окриджской Национальной лаборатории. Я собрал все мои запасы сарказма и ответил, что я сам по себе Вайнберг. Мне показалось, что это не произвело на Ван Флека сильного впечатления.
Б51
Weinberg A.M. Criteria for Scientific Choice // Physics Today March 1964, pp. 42–48. Также см. Weinberg A.M. Criteria for Scientific Choice // Minerva 1 (winter 1963): 159–71; и Criteria for Scientific Choice II: The Two Cultures // Minerva 3 (Autumn 1964): 3–14.
Б52
Weinberg S. Newtonianism.