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

Вайнберг Стивен

Окончательный поворот от механицизма в электромагнитной теории произошел в 1905 г., после того как эйнштейновская специальная теория относительности отвергла эфир и заменила его пустым пространством – средой, переносящей импульсы электромагнитных волн. Но даже тогда механистический взгляд на мир довлел над физиками старшего поколения.

Кроме того, механицизм распространился за пределы науки и прижился там, принеся позднее много неприятностей ученым. В XIX в. героическая традиция механицизма была, к сожалению, включена в систему диалектического материализма Маркса и Энгельса и их последователей. Ленин, находясь в эмиграции, написал в 1908 г. напыщенную книгу о материализме, и хотя для него эта книга была главным образом средством борьбы с другими революционерами, цитаты из нее стали священным писанием для его последователей, так что некоторое время диалектический материализм стоял на пути признания общей теории относительности в Советском Союзе. Еще в 1961 г. выдающийся русский физик Владимир

Фок вынужден был защищать себя от нападок философов-ортодоксов. Предисловие к его монографии «Теория пространства, времени и тяготения» содержит примечательное высказывание: «Философская сторона наших взглядов на теорию пространства, времени и тяготения сформировалась под влиянием философии диалектического материализма, в частности под влиянием труда Ленина “Материализм и эмпириокритицизм”».

Но в истории науки не бывает все так просто. Хотя после трудов Эйнштейна в серьезных исследованиях по физике и не осталось места наивному механистическому мировоззрению, некоторые его элементы все же сохранились в физике первой половины ХХ в. С одной стороны, были обнаружены материальные частицы – электроны, протоны, нейтроны, – образующие обычное вещество. С другой стороны, были известны поля – электрическое, магнитное и гравитационное, которые порождались частицами и оказывали на них силовое воздействие. В 1929 г. физики стали склоняться к объединяющей точке зрения. Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули установили, что частицы и силы есть проявления более глубокого уровня реальности, а именно уровня квантовых полей. Несколькими годами ранее квантовая механика была применена для описания электрических и магнитных полей и подтвердила гипотезу Эйнштейна о частицах света – фотонах. Гейзенберг и Паули предположили, что не только фотоны, но все частицы являются сгустками энергии различных полей. В рамках этой квантовой теории поля электроны есть сгустки энергии электронного поля, нейтрино есть сгустки энергии нейтринного поля и т.д.

Несмотря на такой поразительный вывод, все же большая часть работ по взаимодействию фотонов и электронов в 30-е и 40-е гг. делалась в рамках старой дуалистичной квантовой электродинамики, где фотоны рассматривались как сгустки энергии электромагнитного поля, а электроны – просто как частицы вещества. Если ограничиться только фотонами и электронами, то квантовая теория поля приводит к тем же результатам, что и квантовая электродинамика. Но к тому времени, как я стал в 50-е гг. старшекурсником, квантовая теория поля была практически везде признана как правильная основа фундаментальной физики. В тех рецептах устройства мира, которые прописывали физики, список ингредиентов уже включал не частицы, как раньше, а лишь несколько сортов полей.

Мораль этой истории в том, что глупо думать, будто можно предвидеть даже те понятия, в рамках которых будет сформулирована будущая квантовая теория поля. Ричард Фейнман заметил однажды, что когда журналисты спрашивают об окончательных теориях, употребляя такие понятия, как окончательный список частиц или окончательное объединение всех сил природы, мы на самом деле даже не знаем, правомочны ли такие вопросы. Непохоже, что старое наивное механистическое мировоззрение возродится вновь или мы вернемся к дуализму частиц и полей, но и квантовая теория поля – не последнее слово в науке. Есть трудности со включением гравитации в рамки квантовой теории поля. Пытаясь преодолеть их, физики сравнительно недавно предложили вариант окончательной теории, в котором сами квантовые поля есть всего лишь низкоэнергетические проявления пространственно-временных нерегулярностей, получивших название струн. Складывается впечатление, что мы не знаем правильных вопросов до тех пор, пока не приближаемся к знанию правильных ответов.

Хотя наивный механицизм, похоже, благополучно скончался, физиков продолжают тревожить другие метафизические предрассудки, особенно те, которые связаны с понятиями пространства и времени. Длительность во времени – единственное, что мы способны измерить (пусть и неточно) силой одной мысли, без участия наших чувств, поэтому естественно думать, что мы можем что-то узнать о размерности времени чисто рациональным путем. Кант учил, что пространство и время не являются частями внешней реальности, а структурами, заранее существующими в нашем мозге и позволяющими связывать между собой вещи и события. Наиболее шокирующим для правоверного кантианца в теориях Эйнштейна было то, что они низвели пространство и время до уровня обычных свойств физической вселенной, которые могут меняться из-за движения (в специальной теории относительности) или тяготения (в общей теории относительности). Даже сегодня, через сто лет после создания специальной теории относительности, некоторые физики все еще полагают, что есть вещи, которые можно сказать о пространстве и времени на основе чистого рассуждения.

Такая оголтелая метафизика вышла на поверхность особенно в дискуссиях о происхождении Вселенной. Согласно стандартной теории Большого взрыва, Вселенная возникла в состоянии бесконечно большой температуры и плотности около десяти–пятнадцати миллиардов лет тому назад. Каждый раз, когда я рассказывал о теории Большого взрыва и дело доходило до вопросов

и ответов, кто-нибудь в аудитории обязательно начинал доказывать, что идея начала абсурдна: какой бы момент времени мы ни назвали началом, всегда должен быть момент перед этим. Я всегда пытался объяснять, что это необязательно должно быть так. Например, мы знаем из нашего повседневного опыта, что как бы холодно ни было, всегда может быть еще холоднее, но все-таки существует такое понятие, как абсолютный нуль температуры. Мы не можем достичь температуры ниже абсолютного нуля не потому, что недостаточно умны, а потому, что температура ниже абсолютного нуля просто не имеет смысла. Стивен Хокинг предложил, может быть, еще лучшую аналогию: вполне имеет смысл вопрос о том, что находится севернее Остина, Кембриджа или любого другого города, но не имеет смысла вопрос о том, что находится севернее Северного полюса. Блаженный Августин в «Откровении» вступил в ставшую знаменитой схватку с этой проблемой и пришел к выводу, что вопрос о том, что было перед тем, как Бог создал Вселенную, неверен, так как Бог, сам находящийся вне времени, создал время вместе с самой Вселенной. Такой же точки зрения придерживался Моисей Маймонид.

Должен признать, что на самом деле мы не знаем, началась ли Вселенная в строго определенный момент времени в прошлом. Андрей Линде и другие космологи [132] предложили недавно ряд приемлемых теорий, в которых наша расширяющаяся Вселенная является лишь крохотным пузырьком в бесконечно старой Мегавселенной, в которой происходит вечное рождение и размножение таких пузырьков. Я не буду здесь пытаться доказывать, что наша Вселенная несомненно имеет конечный возраст. Я хочу лишь подчеркнуть, что используя только силу чистого разума, нельзя утверждать, что такое невозможно.

Б132

Эта работа была построена на так называемой инфляционной космологии Алана Гута.

Здесь мы опять даже не уверены, что задаем правильные вопросы. В новейшей версии теории струн пространство и время возникают как выводимые понятия, не содержащиеся в фундаментальных уравнениях теории. В подобных теориях пространство и время имеют ограниченный смысл: нельзя говорить о промежутке времени, который ближе к моменту Большого взрыва, чем 10^{– 42}с. В обыденной жизни мы вряд ли можем заметить интервал времени в одну сотую долю секунды, так что интуитивные представления о природе пространства и времени, полученные из повседневного опыта, не имеют большой ценности при попытках понять теорию происхождения Вселенной.

Однако наибольшие затруднения причиняет современной физике не метафизика, а эпистемология, учение о природе и источниках знания. Эпистемологическая доктрина, называемая позитивизмом (или в некоторых трудах логическим позитивизмом), утверждает не только то, что окончательной проверкой любой теории является ее сопоставление с экспериментальными данными (с чем вряд ли кто будет спорить), но и то, что каждое понятие в наших теориях должно в каждом пункте ссылаться на наблюдаемые величины. Это означает, что хотя физические теории могут включать понятия, все еще не изученные экспериментально, и которые не будут изучены ни в этом году ни в следующем по причине дороговизны исследований, совершенно недопустимо включать в наши теории понятия и элементы, которые в принципе нельзя никогда наблюдать. На карту поставлено многое, так как если принять доктрину позитивизма, то это позволит получить ценные сведения о составных частях окончательной теории, используя мысленные эксперименты для установления того, что в принципе можно наблюдать.

Фигурой, чаще всего ассоциируемой с введением позитивизма в физику, является Эрнст Мах, венский физик и философ конца XIX в. Для него позитивизм был как бы противоядием от метафизики Иммануила Канта. Эйнштейновская статья 1905 г. по специальной теории относительности несет следы очевидного влияния Маха: в ней полно наблюдателей, измеряющих расстояния и времена с помощью линеек, часов и лучей света. Позитивизм помог Эйнштейну избавиться от представления, что утверждение об одновременности двух событий имеет абсолютный смысл. Он убедился, что ни одно измерение не может дать критерий одновременности, одинаковый для всех наблюдателей. Сосредоточенность на том, что реально может быть наблюдено, и составляет суть позитивизма. Эйнштейн высказал Маху свою признательность: в письме к нему несколькими годами спустя он назвал себя «Ваш преданный ученик» [133] . После Первой мировой войны позитивизм получил дальнейшее развитие в трудах Рудольфа Карнапа и членов Венского кружка философов, поставивших целью перестроить науку в соответствии с философски удовлетворительными представлениями. Они во многом преуспели в очистке науки от метафизического хлама.

Б133

Цит. по Bernstein J. Ernst Mach and the Quarks // American Scholar 53 (winter 1983–84): 12.