Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик

Хоссенфельдер Сабина

Откуда мы пришли

В школе я ненавидела историю, но с тех пор осознала целесообразность цитирования умерших людей для обоснования своих суждений. Я даже не притязаю на то, чтобы дать вам экскурс в историю роли красоты в науке, поскольку на самом деле я больше интересуюсь будущим, чем прошлым, и к тому же другие этим уже занимались ⁹. Однако, если мы хотим увидеть, как физика изменилась, мне нужно рассказать вам, какой она была.

До конца XIX века ученым было довольно привычно считать красоту природы за признак божественности. Хотя они искали – и находили – объяснения, которые прежде были в ведении Церкви, неизъяснимая гармония, раскрываемая законами природы, обнадеживала верующих в том, что наука не представляет риска для сверхъестественного.

Примерно на рубеже веков, когда наука отделилась от религии и стала более

профессионализированной, ее приверженцы перестали приписывать красоту законов природы божественному влиянию. Они изумлялись благозвучию, царящему в законах, что управляют Вселенной, но вопрос интерпретации оставляли открытым или по меньшей мере отмечали собственные верования как личное мнение.

В XX веке эстетическая привлекательность трансформировалась из приятного бонуса научных теорий в главного советчика при их построении, пока в конце концов эстетические принципы не переросли в математический критерий. Сегодня мы больше не раздумываем над аргументами о красоте – их ненаучное происхождение «затерялось в математике».

* * *

Среди первых ученых, сформулировавших количественные законы природы, был немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер (1571–1630), работавший под сильным влиянием религиозных убеждений. У Кеплера была модель Солнечной системы, в которой известные тогда планеты – Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер и Сатурн – вращались по круговым орбитам вокруг Солнца. Радиусы орбит определялись правильными многогранниками – платоновыми телами, – вставленными друг в друга, и полученные таким образом расстояния между планетами хорошо согласовывались с наблюдениями. Идея была привлекательной. Кеплер считал, что «совершеннейший из строителей… с необходимостью должен был создать творение, обладавшее безупречной красотой».

Благодаря таблицам, фиксировавшим точные положения планет, Кеплер позднее убедился, что его модель неверна, и сделал вывод, что планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, а не круговым. Его новая идея тут же была встречена неодобрением – она не соответствовала эстетическому стандарту того времени.

В частности, Кеплера критиковал Галилео Галилей (1564–1642), веривший, что «только круговое движение естественно подобает естественным телам, составляющим Вселенную и приведенным в наилучшее расположение»¹⁰ [9] . Другой астроном, Давид Фабрициус (1564–1617), возмущался: «Своими эллипсами вы уничтожили кругообразность и равномерность движений, что представляется мне тем нелепее, чем больше я об этом думаю…» Фабрициус, как и многие в то время, предпочитал корректировать орбиты планет «эпициклами», то есть круговыми движениями меньшего радиуса вокруг круговых же орбит. «Если бы вы только могли сохранить идеальную круговую орбиту и обосновать свою эллиптическую орбиту другими небольшими эпициклами, – писал Фабрициус Кеплеру, – было бы намного лучше»¹¹.

9

Галилей Г. Диалог о двух главнейших системах мира – птоломеевой и коперниковой. М., Л.: ГИТТЛ, 1948. – Прим. перев.

Но Кеплер был прав. Планеты действительно движутся вокруг Солнца по эллипсам.

После того как объективные данные вынудили его отказаться от безупречных многогранников, Кеплер, в более позднем возрасте, пришел к убеждению, что планеты при движении рождают музыку. В своем трактате «Гармония мира», изданном в 1619 году, он вывел, как звучит каждая из планет, и заключил, что «Земля поет ми-фа-ми». Это была не лучшая его работа. Однако кеплеровский анализ планетных орбит заложил основы для последующих исследований Исаака Ньютона (1643–1727), первого ученого, который строго использовал математику.

Ньютон верил в существование Бога, чье влияние видел в законах, которым подчиняется природа. В 1726 году он написал: «Такое изящнейшее соединение Солнца, планет и комет не могло произойти иначе, как по намерению и по власти могущественного и премудрого существа»¹² [10] . С момента их открытия ньютоновские законы движения и тяготения были радикально пересмотрены, но в качестве приближений остаются действующими и сегодня.

Ньютон и его современники без раздумий совмещали религию и науку – тогда это было общепринятой практикой. Вероятно, особенно к тому был склонен Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646–1716), разработавший дифференциальное и интегральное исчисление примерно в то же время, что и Ньютон, но независимо от него. Лейбниц верил, что мир, который мы населяем, «наилучший из всех возможных миров», а все существующее зло необходимо. «Каждая вновь обретенная истина, каждый опыт или теорема – это новое зеркало, в котором отражается красота Бога»¹³. Лейбниц считал, что несовершенство мира «основывается только на том, что мы слишком мало знаем всеобщую гармонию Вселенной и скрытые основания деятельности Бога»¹⁴ [11] . Иными словами, согласно Лейбницу, ужасное ужасно, поскольку мы не понимаем, что есть красота.

10

Ньютон И. Математические начала натуральной философии. М.: Наука, 1989. – Прим. перев.

11

Лейбниц Г. В. Рассуждение о метафизике // Сочинения в четырех томах. Т. 1. М.: Мысль, 1982. – Прим. перев.

Аргумент Лейбница, как любят рассуждать философы и теологи, бесполезен без определения, что вообще означает «наилучший». Но сама идея, что наша Вселенная оптимальна в некотором смысле, закрепилась в науке и пробилась сквозь века. Как только она была выражена математически [12] , она выросла в гиганта, на чьих плечах стоят все сегодняшние физические теории. Современные теории отличаются лишь тем, как они требуют от системы «наилучшего» поведения. Общая теория относительности Эйнштейна, например, может быть выведена из требования, чтобы искривление пространства-времени было как можно меньшим. Подобные методы существуют и для других взаимодействий. И до сих пор физики стараются найти всеобъемлющий принцип, в соответствии с которым наша Вселенная «наилучшая», – к этой проблеме мы вернемся позже.

12

Это называется принципом наименьшего действия.

Как мы сюда попали

По мере того как проходили столетия и математика становилась все эффективнее, отсылки к Богу в физике потихоньку сходили на нет или вплетались в сами законы природы. В конце XIX века Макс Планк (1858–1947) верил, что «святость непостижимого Божества как бы придает святость постижимым символам» [13] . Затем, когда XIX век перетек в XX, красота постепенно трансформировалась в руководящий принцип физиков-теоретиков, закристаллизовавшийся с развитием Стандартной модели.

13

Из его доклада 1937 года «Религия и естествознание»: http://vivovoco.astronet.ru/VV/PAPERS/ECCE/PHIL2.HTM. – Прим. перев.

Герман Вейль (1885–1955), математик, сделавший важный вклад в физику, даже и не думал оправдываться за свои не очень-то научные методы: «В своей работе я всегда пытаюсь объединить истину с красотой, но, когда мне приходилось выбирать одно или другое, я обычно выбирал красоту»¹⁵. Астрофизик Эдвард Артур Милн (1896–1950), авторитетный ученый в период разработки общей теории относительности, считал красоту «дорогой к знанию, а точнее единственным знанием, которым стоит обладать». В своем выступлении 1922 года в Клубе естественных наук Кембриджского университета он выражал недовольство изобилием неприглядных исследований:

Достаточно просмотреть подшивки старых номеров научных журналов, скажем, за последние пятьдесят лет, чтобы наткнуться на десятки статей, которые никак не обогатили научное знание, да никогда и не могли, являясь лишь грибком на стволе древа науки и, как грибок, постоянно возникая вновь при попытке уничтожения. <…> [Но если статья] возбуждает в нас эмоции, которые ассоциируются с красотой, никакие дальнейшие подтверждения не требуются; это не грибок, а цветок; это назначение науки, окончание работы, в которой наука достигла своей высшей цели. Неприглядные статьи – вот они-то требуют подтверждения ¹⁶.