МЕЧТЫ ОБ ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ ТЕОРИИ

Глава IV. Квантовая механика и ее критики

 

Играющий ставил шар на стол и ударял по шару кием. Следя за катящимся шаром, мистер Томпкинс к своему большому удивлению заметил, что шар начал «расплываться». Это было единственное выражение, которое пришло ему на ум при виде странного поведения бильярдного шара, который, катясь по зеленому полю, казался все более и более размытым, на глазах утрачивая четкость своих контуров. Казалось, что по зеленому сукну катится не один шар, а множество шаров, к тому же частично проникающих друг в друга. Мистеру Томпкинсу часто случалось наблюдать подобные явления и прежде, но сегодня он не принял ни капли виски и не мог понять, почему так происходит.

 

Георгий Гамов. Мистер Томпкинс исследует атом^[1]

 

Открытие квантовой механики в середине 1920‑х гг. было самой глубокой революцией в физической теории с момента зарождения современной физики в XVII в. Когда мы рассматривали выше свойства кусочка мела, наша цепочка вопросов снова и снова приводила к ответам, сформулированным на языке квантовой механики. Все затейливые математические теории, которыми в последние годы занимаются физики, – квантовые теории поля, калибровочные теории, теории суперструн – все они формулируются в рамках квантовой механики. Если и есть что‑то в нашем сегодняшнем понимании природы, что имеет шанс выжить в окончательной теории, так это квантовая механика.

Историческая важность квантовой механики состоит не только в том, что она дала ответы на многие старые вопросы об устройстве материи; значительно важнее, что она изменила наши представления о тех вопросах, которые нам разрешено задавать. С точки зрения последователей ньютоновской физики, теории предназначены для того, чтобы обеспечивать математический аппарат, позволяющий физикам вычислять положения и скорости частиц в любой системе во все будущие моменты времени, если полностью известны (что никогда не реализуется на практике) значения этих величин в любой данный момент времени. Однако квантовая механика принесла с собой совершенно иной способ описания состояния системы. В ней мы используем математические конструкции, называемые волновыми функциями, которые дают информацию только о вероятностях возможных значений положений и скоростей частиц в системе. Это изменение взгляда столь глубоко, что физики сейчас используют слово «классический» не по отношению к древним грекам и римлянам или к Моцарту и т.д., а по отношению к периоду «до квантовой механики».

Если попытаться назвать момент, когда родилась квантовая механика, то, наверное, им должен стать тот отпуск, который устроил себе молодой Вернер Гейзенберг в 1925 г. Страдая от сенной лихорадки, Гейзенберг сбежал от цветущих лугов вблизи Гёттингена на пустынный остров Гельголанд в Северном море. До этого Гейзенберг и его коллеги в течение нескольких лет пытались разрешить проблему, возникшую в 1913 г. в построенной Нильсом Бором теории атома: почему электроны в атоме занимают только некоторые разрешенные орбиты с определенными энергиями? На Гельголанде Гейзенберг начал обдумывать все сначала. Он решил, что поскольку никто не может непосредственно наблюдать орбиту электрона в атоме, он будет пытаться иметь дело только с величинами, которые можно измерить, а именно с энергиями квантовых состояний , в которых все электроны атома занимают разрешенные орбиты, и со скоростями спонтанного перехода атома из одного такого состояния в любое другое состояние с испусканием при этом частицы света (фотона). Из этих скоростей перехода Гейзенберг составил то, что он назвал «таблицей», затем ввел математические операции с этой таблицей, приводившие к появлению новых таблиц, причем каждой физической величине, например положению электрона, его скорости или квадрату скорости, соответствовала своя таблица^[2]. Зная зависимость энергии частицы в простой системе от скорости и положения, Гейзенберг сумел вычислить таблицу энергий системы в разных квантовых состояниях, в определенном смысле пародируя тот способ, которым ньютоновская физика вычисляет энергию планеты по известным значениям ее скорости и положения.

Если то, что сделал Гейзенберг, озадачивает читателя, то вы, читатель, не одиноки. Несколько раз я пытался прочесть статью, написанную Гейзенбергом по возвращении с Гельголанда и, хотя, как мне кажется, я понимаю квантовую механику, мне никогда не удавалось понять те мотивы, которые побудили Гейзенберга к математическим действиям в его работе. Физики‑теоретики в своих самых удачных работах стремятся сыграть одну из двух ролей: они выступают либо как мудрецы , либо как волшебники . Физик‑мудрец рассуждает в определенном порядке о физических проблемах, основываясь на фундаментальных идеях о том, как устроена природа. Например, Эйнштейн, развивая общую теорию относительности, играл роль мудреца; перед ним стояла четко очерченная проблема – как совместить теорию тяготения с новым взглядом на пространство и время, предложенным им в 1905 г. в специальной теории относительности. В руках у него было несколько ценных ключей к разгадке, в частности важный факт, открытый Галилеем, что движение небольших тел в гравитационном поле не зависит от природы этих тел. Это позволило Эйнштейну предположить, что тяготение может быть свойством самого́ пространства‑времени. Кроме того, Эйнштейну была известна хорошо развитая математическая теория искривленных пространств, разработанная еще в XIX в. Риманом и другими математиками. В наше время вполне можно преподавать общую теорию относительности, следуя практически тем же аргументам, которые использовал Эйнштейн в своей заключительной работе 1915 г. Но есть и физики‑волшебники, которые, кажется, совершенно не размышляют, а, перескакивая через все промежуточные ступени, сразу приходят к новому взгляду на природу. Авторы учебников по физике обычно пытаются переложить работы волшебников на другой язык, так что они становятся похожи на работы мудрецов, иначе ни один читатель не смог бы понять физику. Планк выступил как волшебник, предложив в 1900 г. свою теорию теплового излучения, да и Эйнштейн отчасти был им, когда в 1905 г. ввел понятие фотонов. (Возможно, именно поэтому он позднее расценивал теорию фотонов как самое революционное из своих достижений.) Обычно не очень трудно понять работы физиков‑мудрецов, но работы физиков‑волшебников часто совершенно невразумительны. В этом смысле статья Гейзенберга 1925 г. была чистой магией.

Может быть, и не следует так внимательно читать первую статью Гейзенберга. Он общался со множеством одаренных физиков‑теоретиков, включая Макса Борна и Паскуаля Йордана в Германии и Поля Дирака в Англии, так что к концу 1925 г. эти ученые превратили идеи Гейзенберга в понятную и систематическую версию квантовой механики, называемую в наше время матричной механикой. В январе следующего года в Гамбурге школьный приятель Гейзенберга Вольфганг Паули сумел применить новую матричную механику к решению основополагающей задачи атомной физики – расчету энергий квантовых состояний атома водорода, подтвердив тем самым результаты, полученные ранее Бором на основе полуклассических постулатов.

Проведенный Паули квантовомеханический расчет уровней энергии водорода был блистательной демонстрацией математического искусства, мудрым использованием найденных Гейзенбергом правил и особых симметрий атома водорода. Хотя Гейзенберг и Дирак, может быть, были более плодотворными, чем Паули, ни один из живших тогда физиков не был более умным. Но даже Паули не сумел применить свои вычислительные приемы к следующему по сложности атому гелия, не говоря уже о более тяжелых атомах или молекулах.

На самом деле та квантовая механика, которую в наши дни изучают на младших курсах и используют в повседневной работе химики и физики, это не матричная механика Гейзенберга, Паули и их сотрудников, а математически эквивалентный (хотя и значительно более удобный) формализм, предложенный несколько позже Эрвином Шрёдингером. В той версии квантовой механики, которую разработал Шрёдингер, каждое возможное физическое состояние системы описывается заданием величины, известной как волновая функция  системы, что немного напоминает способ описания света как волны электрического и магнитного полей. Еще до работ Гейзенберга Луи де Бройль в статьях 1923 г. и докторской диссертации 1924 г. описал подход к квантовой механике, основанный на понятии волновой функции. Де Бройль предположил, что электрон можно рассматривать как определенного сорта волну, причем длина волны связана с импульсом электрона тем же соотношением Эйнштейна, которое определяет связь длины волны света с импульсом фотона; в обоих случаях длина волны равна фундаментальной постоянной природы, известной как постоянная Планка, деленной на импульс. Де Бройль совершенно не представлял себе физический смысл этой волны и не предложил никакого динамического волнового уравнения; он просто предположил, что разрешенные орбиты электронов в атоме водорода должны быть достаточно большими, чтобы вдоль них умещалось целое число полных длин волн – одна для наинизшего энергетического состояния, две для следующего и т.д. Примечательно, что эта простая и не слишком хорошо мотивированная гипотеза приводила к тем же успешным результатам для энергий электрона на разных орбитах в атоме водорода, что и проделанные десятью годами ранее вычисления Бора.

После такой диссертации можно было бы надеяться, что де Бройлю удастся решить все проблемы физики. На самом деле за всю оставшуюся жизнь он не сделал практически ничего, что имело бы научное значение. Именно Шрёдингер в Цюрихе в 1923–1926 гг. преобразовал довольно расплывчатые идеи де Бройля об электронных волнах в точный и согласованный математический формализм, применимый к электронам или другим частицам в атомах и молекулах любого сорта. Шрёдингер сумел также показать, что его «волновая механика» эквивалентна матричной механике Гейзенберга; одна может быть математически выведена из другой.

В центре шредингеровского подхода было динамическое уравнение (с тех пор получившее название уравнения Шрёдингера), определявшее, как меняется со временем волна каждой из частиц. Некоторые из решений уравнения Шрёдингера для электронов в атомах имеют характер колебаний с определенной частотой, напоминая этим звуковую волну, рожденную идеальным камертоном. Такие частные решения соответствуют возможным стабильным квантовым состояниям атома или молекулы (нечто вроде стоячих волн в камертоне), причем энергия атомного состояния определяется частотой волны, умноженной на постоянную Планка. Именно эти энергии доступны нашему восприятию путем наблюдения цветов того света, который атом может испустить или поглотить.

С математической точки зрения уравнение Шрёдингера относится к тому же типу уравнений, которые использовались еще в XIX в. для изучения звуковых или световых волн. Физики 1920‑х гг. уже ощущали себя настолько уверенно при действиях с подобными уравнениями, что смогли немедленно заняться вычислениями энергий и других свойств всех сортов атомов и молекул. Это было золотое время для физиков. Затем быстро последовали новые успехи, и стало казаться, что тайны, окружавшие атомы и молекулы, стали одна за одной испаряться.

Несмотря на эти успехи, ни де Бройль, ни Шрёдингер, ни кто‑либо другой не понимали сначала, что за физическая величина совершает колебания в электронной волне. Волна любого типа описывается в каждый данный момент времени перечислением набора чисел, соответствующих каждой точке того пространства, в котором распространяется волна^[3]. Например, в звуковой волне эти числа определяют давление воздуха в каждой точке. В световой волне в каждой точке пространства, в котором распространяется волна, задаются значения и направления векторов напряженностей электрического и магнитного полей. Электронную волну также можно описать, задав в каждый момент времени набор чисел, соответствующих каждой точке пространства как внутри, так и вне атома^[4]. Этот набор чисел и является волновой функцией, а отдельные числа называются значениями волновой функции в данной точке. Все, что ученые могли поначалу сказать о волновой функции, это то, что она есть решение уравнения Шрёдингера; никто не знал, какую же физическую величину описывают ее значения.

Теоретики, занимавшиеся в середине 1920‑х гг. квантовой механикой, находились примерно в том же положении, что и физики, изучавшие свет в начале XIX в. Наблюдение таких явлений, как дифракция (отклонение лучей света от прямолинейного распространения при прохождении вблизи каких‑то тел или через очень маленькие отверстия) заставили Томаса Юнга и Огюстена Френеля предположить, что свет есть определенного типа волна, отклоняющаяся от прямолинейного распространения при прохождении через небольшие отверстия потому, что размеры отверстий оказываются меньше длины волны света. Но никто в начале XIX в. не знал, волной чего  был свет; только после работ Джеймса Клерка Максвелла в 1860‑е гг. стало ясно, что свет есть волна переменных электрического и магнитного полей. Какая же величина меняется в электронной волне?

Ответ был найден в результате теоретического изучения поведения свободных электронов, когда ими обстреливают атомы. Естественно описывать электрон, летящий в пустом пространстве, как волновой пакет, маленький сгусток распространяющихся вместе электронных волн, напоминающий вспышку света от карманного фонарика, если его на мгновение включить. Уравнение Шрёдингера показывает, что когда такой пакет ударяется об атом, он рассыпается^[5]; отдельные волны начинают разлетаться во всех направлениях, как брызги воды от струи из садового шланга, направленной на стенку. Это казалось загадочным; ведь электроны, ударяющиеся об атомы, разлетаются в том или ином направлении, но они не рассыпаются на части, они остаются электронами. В 1926 г. Макс Борн в Гёттингене предложил интерпретировать это странное поведение волновой функции с помощью вероятностных представлений. Электрон не рассыпается, но может рассеиваться в любом направлении, причем вероятность того, что электрон рассеивается в каком‑то определенном направлении, становится максимальной там, где волновая функция принимает максимальные значения. Иными словами, электронные волны не являются волнами чего‑то ; их смысл просто в том, что значение волновой функции в каждой точке определяет вероятность того, что электрон находится в окрестности этой точки.

Ни Шрёдингер, ни де Бройль не были удовлетворены такой интерпретацией электронных волн. Возможно, это и объясняет, почему ни один из них не внес далее существенного вклада в развитие квантовой механики. Но вероятностная интерпретация электронных волн была поддержана в следующем году Гейзенбергом, высказавшим весьма примечательные соображения. Гейзенберг рассматривал те проблемы, с которыми сталкиваются физики при измерении положения и импульса электрона. Чтобы осуществить аккуратное измерение положения электрона, необходимо использовать свет короткой длины волны, так как дифракция всегда размазывает изображение любого предмета, размеры которого меньше длины волны света. Но свет короткой длины волны состоит из фотонов, обладающих, соответственно, большим импульсом. Поэтому, когда мы используем фотоны с большим импульсом для наблюдения электрона, он неизбежно получает большую отдачу в результате соударения, унося какую‑то долю импульса фотона. Таким образом, чем точнее мы пытаемся измерить положение электрона, тем меньше мы знаем после такого измерения об импульсе электрона. Это правило получило название соотношения неопределенностей Гейзенберга ^[6]. Электронная волна, имеющая в каком‑то месте острый максимум, соответствует электрону с достаточно четко определенным положением, но импульс такого электрона может иметь почти любое значение. Наоборот, электронная волна, имеющая форму сглаженной, равноудаленной последовательности горбов и впадин на расстоянии многих длин волн, соответствует электрону с достаточно определенным значением импульса, но совершенно неопределенным положением^[7]. Наиболее типичные электроны, вроде тех, которые находятся в атомах или молекулах, не имеют ни определенного положения, ни определенного импульса.

Физики продолжали ожесточенно спорить об интерпретации квантовой механики в течение многих лет после того, как они научились решать уравнение Шрёдингера. Среди них выделялся Эйнштейн, отвергавший квантовую механику в своей работе; большинство физиков просто пыталось ее понять. Многие споры на эти темы проходили в Институте теоретической физики Копенгагенского университета под руководством Нильса Бора^[8]. Особое внимание Бор обращал на удивительное свойство квантовой механики, названное им дополнительностью ^[9]: знание одного свойства или аспекта поведения системы исключает знание ряда других свойств. Соотношение неопределенностей Гейзенберга как раз являлось примером дополнительности: знание положения частицы (или импульса) исключает знание ее импульса (или положения)^[10].

В начале 1930‑х гг. дискуссии в институте Бора привели к созданию ортодоксальной «копенгагенской» формулировки квантовой механики, использовавшей значительно более общие понятия, чем употребляемые в волновой механике отдельных электронов. Независимо от того, состоит ли система из одной или многих частиц, ее состояние в любой момент времени описывается набором чисел – значениями волновой функции, причем каждое число соответствует определенной возможной конфигурации системы. Одно и то же состояние можно описать, перечисляя значения волновой функции для конфигураций, заданных множеством разных способов, например, указанием положений всех частиц в системе, или импульсов всех этих частиц, или многими другими способами. Однако невозможно описать систему, задав одновременно положения и  импульсы всех частиц.

Суть копенгагенской интерпретации состоит в резком отделении самой системы от тех приборов, которые используются для измерения ее конфигурации. Как подчеркивал Макс Борн, в промежутках между измерениями значения волновой функции изменяются идеально непрерывным и детерминированным образом, определяемым некоторой обобщенной версией уравнения Шрёдингера. В это время нельзя говорить, что система находится в какой‑то определенной конфигурации. Если же мы измеряем конфигурацию системы (т.е. измеряем положения или  импульсы всех частиц, но не эти величины одновременно), система скачком переходит в состояние с той или иной конфигурацией, причем вероятности нахождения системы в этих конфигурациях определяются квадратами значений их волновых функций перед измерением^[11].

Попытка рассказывать о квантовой механике одними словами неизбежно создает только самое смутное впечатление о том, что это за наука. Сама по себе квантовая механика совершенно прозрачна; хотя она поначалу и кажется непонятной, но предлагает точную процедуру вычисления энергий, скоростей перехода и вероятностей. Я хочу попытаться вместе с читателем еще немного углубиться в квантовую механику. Для этой цели я буду рассматривать систему простейшего возможного типа, имеющую всего лишь две возможные конфигурации. Можно представить такую систему как мифическую частицу^[12], обладающую не бесконечным числом возможных положений, а всего лишь двумя, скажем положениями здесь  и там . Тогда состояние системы в любой момент времени описывается двумя числами, значениями волновой функции, соответствующими здесь  и там .

Описание нашей мифической частицы в рамках классической физики очень просто: она с определенностью находится либо здесь , либо там , хотя и может перепрыгивать из здесь  в там  или обратно в результате действия какого‑то динамического закона. В квантовой механике дело обстоит сложнее. Когда мы не наблюдаем частицу, то состояние системы может быть чистым здесь , и в этом случае значение там  волновой функции должно обратиться в нуль, или чистым там , и тогда значение здесь  волновой функции должно обратиться в нуль. Однако возможно (и более типично), что ни одно из значений волновой функции в нуль не обращается и частица не находится с определенностью ни здесь , ни там . Если мы посмотрим, находится ли частица здесь  или там , мы конечно найдем ее в одном из этих положений, но вероятность, что она окажется здесь , будет определяться квадратом значения здесь  волновой функции перед измерением^[13], а вероятность обнаружения частицы там  будет равняться квадрату значения там  ее волновой функции. Согласно копенгагенской интерпретации, когда мы измеряем, находится ли частица в конфигурации здесь  или там , значения волновой функции скачком меняются; либо значение здесь  становится равным единице, а значение там  – нулю, либо наоборот. Однако знание волновой функции не позволяет предсказать точно, что произойдет, а позволяет узнать только вероятности этих скачков.

Система всего лишь с двумя конфигурациями так проста, что вид уравнения Шрёдингера для нее можно представить, не используя символы. Между измерениями скорость изменения значения здесь  волновой функции равна некоторому постоянному числу, умноженному на значение здесь , плюс некоторое другое постоянное число, умноженное на значение там ; скорость изменения значения там  равна третьей константе, умноженной на значение здесь , плюс четвертая константа, умноженная на значение там . Эти четыре постоянных числа совместно называются гамильтонианом  такой простой системы. Гамильтониан характеризует не какое‑то конкретное состояние системы, а саму систему; знание гамильтониана позволяет полностью определить, как изменяется состояние системы при любых начальных условиях. Сама квантовая механика не говорит нам, как выглядит гамильтониан; его конкретный вид должен определяться нашими экспериментальными и теоретическими знаниями о природе обсуждаемой системы^[14].

Эта же простая система может быть использована для иллюстрации идеи Бора о дополнительности, если рассмотреть другие способы описания состояния той же частицы. Например, существует пара состояний, напоминающих состояния с определенным импульсом, которые можно условно назвать состояниями стой  и иди ^[15], и в которых значение волновой функции здесь  либо равно значению там , либо равно этому значению, взятому со знаком минус. Мы можем, если хотим, задать волновую функцию ее значениями стой  и иди , а не значениями здесь  и там : значение стой  есть сумма значений здесь  и там , а значение иди  – разность этих значений. Если нам достоверно известно, что частица находится в состоянии здесь , значение там  волновой функции должно обратиться в нуль, так что значения стой  и иди  совпадают. Это означает, что мы ничего не можем сказать об импульсе частицы; обе возможности реализуются с вероятностью 50 %. Обратно, если мы достоверно знаем, что частица находится в состоянии стой  с нулевым импульсом, тогда значение иди  волновой функции обращается в нуль, и, поскольку это значение равно разности значений здесь  и там , они должны совпадать друг с другом. Отсюда следует, что мы ничего не можем сказать о том, находится ли частица здесь  или там ; вероятность каждого события равна 50%. Итак, существует полная дополнительность измерений состояний здесь ‑там  и стой ‑иди : мы можем делать измерения любого типа, но как только выбор сделан, информация о результатах, которые получились бы при измерениях другого типа, полностью теряется.

Мнения всех о том, как следует применять квантовую механику, согласуются, но в вопросе о том, как следует понимать то, что мы делаем, когда применяем ее, существуют большие разногласия. Тех, кого раздражает редукционизм и детерминизм ньютоновской физики, должны порадовать два аспекта квантовой механики. Во‑первых, в ньютоновской физике человеческие существа не имеют особого статуса, а в рамках копенгагенской интерпретации квантовой механики люди играют существенную роль, придавая смысл волновой функции путем акта измерения. Во‑вторых, там, где физик‑ньютонианец говорит о точных предсказаниях, физик, приверженный квантовой механике, предлагает только вычисления вероятностей, что опять, похоже, дает возможность вспомнить о свободной воле или Божественном провидении.

Некоторые ученые и писатели, например Фритьоф Капра^[16], приветствуют те стороны квантовой механики, которые, как они считают, дают возможность примирить научное познание с более тонкими проблемами нашего существования. Я бы тоже радовался, если бы считал такую возможность реальной, но полагаю, что это не так. Квантовая механика невероятно важна для физики, но я не могу обнаружить в ней каких‑то откровений, касающихся жизни человека, принципиально отличающихся от тех, которые нам известны в рамках ньютоновской физики.

Так как эти вопросы все еще вызывают споры, я пригласил для их обсуждения двоих хорошо известных личностей.

Диалог о смысле квантовой механики

 

Крошка Тим ^[17]. Я думаю, квантовая механика – замечательная наука. Мне никогда не нравилось, что в ньютоновской механике, зная положение и скорость каждой частицы в данный момент, вы можете полностью предсказать будущее поведение системы, так что при этом не остается места ни для свободной воли, ни вообще для особой роли людей. В квантовой механике все ваши предсказания расплывчаты и вероятностны, ничто не находится в определенном состоянии до тех пор, пока человеческие существа не совершат акт наблюдения. По‑моему, что‑то похожее говорили некоторые восточные мистики.

Дядюшка Скрудж . Э‑э! Я, может быть, и поменял свое мнение насчет Рождества, но чепуху‑то я всегда узнаю. Конечно, у электрона нет определенных значений положения и скорости в один и тот же момент времени, но это просто означает, что такие величины не подходят для описания электрона. В каждый момент времени и электрон, и любой коллектив частиц имеют волновую функцию. Если есть человек, наблюдающий частицы, то и состояние всей системы, включая человека, описывается волновой функцией. Эволюция волновой функции так же детерминирована, как и орбиты частиц в ньютоновской механике. На самом деле она еще более детерминирована, так как уравнения, определяющие то, как волновая функция меняется со временем, слишком просты, чтобы обладать хаотическими решениями^[18]. Так где же твоя свободная воля?

Крошка Тим . Меня поражает, что вы отвечаете столь ненаучным образом. Волновая функция не представляет объективной реальности, так как ее нельзя измерить. Например, если мы наблюдаем, что частица находится здесь , мы не в силах из этого заключить, что волновая функция до  наблюдения имела нулевое значение там ; у нее могли быть любые значения здесь  и там  и нам просто посчастливилось обнаружить частицу здесь , а не там  в результате акта наблюдения. Но если волновая функция не реальна, то почему же вы придаете так много значения тому, что она эволюционирует детерминированным образом? Все, что мы когда‑либо можем измерить, это величины типа положения, импульса или спина, и для них мы можем получить только вероятностные предсказания. При этом до тех пор, пока какой‑нибудь человек не вмешивается с тем, чтобы измерить эти величины, мы вообще не можем сказать, что частица находится в каком‑то определенном состоянии.

Дядюшка Скрудж . Мальчик мой, похоже, ты проглотил безо всякой критики родившуюся в девятнадцатом веке доктрину, называемую позитивизмом, которая утверждает, что наука должна иметь дело только с теми вещами, которые можно реально наблюдать. Согласен, что ни в одном эксперименте невозможно измерить волновую функцию. Ну и что? Много раз повторив измерения для одного и того же начального состояния, ты можешь узнать, какой должна быть волновая функция этого состояния и применять результаты для проверки наших теорий. Чего же еще требовать? Тебе, на самом деле, нужно привести свои мысли в соответствие с двадцатым веком. Волновые функции реальны настолько же, насколько реальны кварки и симметрии: их просто удобно включить в наши теории. Любая система находится в определенном состоянии, независимо от того, наблюдает ее какое‑либо человеческое существо или нет ; состояние описывается не своими положением или импульсом, а волновой функцией.

Крошка Тим . Не думаю, что мне стоит спорить о том, что реально, а что нет, с тем, кто проводит вечера, прогуливаясь с духами. Позвольте мне только напомнить вам серьезную проблему, с которой сталкиваешься немедленно, как только представляешь, что волновая функция реальна. Эта проблема была упомянута во время той атаки на квантовую механику, которую предпринял Эйнштейн на Сольвеевском конгрессе 1933 г. в Брюсселе, а затем в 1935 г. была изложена им письменно в знаменитой статье совместно с Борисом Подольским и Натаном Розеном. Представьте систему, состоящую из двух электронов и приготовленную таким образом, что в какой‑то момент времени электроны находятся на известном большом расстоянии друг от друга и обладают известным суммарным импульсом. (Это не нарушает соотношение неопределенностей Гейзенберга. Например, можно с любой желаемой точностью измерить расстояние между электронами, послав от одного к другому пучок света очень короткой длины волны; это, конечно, исказит импульс каждого из электронов, но в силу закона сохранения импульса, не изменит их полный  импульс.) Если затем кто‑то измеряет импульс первого электрона, то импульс второго также можно немедленно найти, поскольку известна сумма импульсов. С другой стороны, если кто‑то измеряет положение первого электрона, то и положение второго становится немедленно известным, так как измерено расстояние между ними. Но все это означает, что наблюдая состояние первого электрона, вы можете мгновенно изменить волновую функцию, так что второй электрон станет обладать определенным положением или определенным импульсом, даже несмотря на то, что вы и близко не подходили ко второму электрону . И что же, вы продолжаете настаивать на реальности волновой функции, которую можно менять таким способом?

Дядюшка Скрудж . Я готов все это принять. Точно так же, меня не беспокоит проблема с выполнением закона специальной теории относительности, запрещающего распространение сигналов со скоростью, большей скорости света; нет никакого противоречия и с этим законом. У физика, который измеряет импульс второго электрона, нет способов узнать, не исказилось ли значение, измеренное им, в результате наблюдения первого электрона. Все, что ему известно, что электрон перед измерением мог в том числе иметь и определенное положение, и определенный импульс. Даже Эйнштейн не смог бы воспользоваться измерениями подобного рода, чтобы послать мгновенный сигнал от одного электрона к другому. (Можно было бы заметить, что Джон Белл сравнительно недавно столкнулся с еще более фантастическими следствиями квантовой механики, касающимися атомных спинов, а физики‑экспериментаторы показали^[19], что спины в атомных системах ведут себя так, как предсказывает квантовая механика, т.е. на самом деле законы квантовой механики отражают устройство самого мира.) Мне кажется, что ничто из сказанного не может заставить нас отказаться от мыслей о волновых функциях как о реальности; просто волновая функция ведет себя непривычным для нас образом, допуская мгновенные изменения, влияющие на волновую функцию всей Вселенной. Я думаю, что тебе надо перестать выискивать в квантовой механике глубокие философские откровения и предоставить мне возможность пользоваться ею.

Крошка Тим . Прошу меня извинить, но я должен заметить, что если вы готовы признать мгновенные изменения волновой функции во всем пространстве, то, как я подозреваю, вы готовы признать что угодно. Кроме того, надеюсь, вы простите меня, если я скажу, что вы не очень последовательны. Вы сказали, что волновая функция любой системы эволюционирует во времени совершенно детерминированным образом и что вероятности появляются только тогда, когда мы производим измерения. Но, согласно вашей точке зрения, не только электрон, но также измерительный прибор и человек, производящий с его помощью наблюдения, – все они образуют одну большую систему, описываемую волновой функцией с невероятно большим количеством значений, причем все эти значения меняются причинным образом даже во время измерения. Но если что‑то происходит детерминированно, откуда же берется неопределенность в результатах измерений? Откуда берутся вероятности, когда производятся измерения?

* * *

 

Я испытываю симпатию к обеим сторонам в этом споре, хотя мне ближе реалист Скрудж, а не позитивист Крошка Тим. Я предоставил Крошке Тиму последнее слово, потому что проблема, поднятая им в последних фразах, является одной из самых важных загадок в интерпретации квантовой механики. Ортодоксальная копенгагенская интерпретация, которую я до сих пор излагал, базируется на резком разграничении физической системы, управляемой законами квантовой механики, и прибора, используемого для изучения этой системы и описываемого классически, т.е. согласно законам доквантовой физики. Наша мифическая частица может иметь волновую функцию со значениями как здесь , так и там , но когда ее наблюдают, она каким‑то образом становится с достоверностью равной либо здесь , либо там , причем совершенно непредсказуемым образом, если не считать вероятностей. Но это различие в подходах к системе, которую наблюдают, и прибору, которым это делают, есть несомненная фикция. Мы полагаем, что квантовая механика управляет всем во Вселенной, не только поведением отдельных электронов, но и поведением измерительных приборов и самих людей, использующих эти приборы. Если волновая функция описывает измерительный прибор, так же как и наблюдаемую систему, и при этом эволюционирует детерминированно по законам квантовой механики даже во время измерения, то, как спрашивает Крошка Тим, откуда же берутся вероятности?

Неудовлетворенность искусственным разделением систем и наблюдателей в рамках копенгагенской интерпретации привела многих ученых к совершенно иной точке зрения, к интерпретации квантовой механики на основе идеи о множественности миров  или множественности историй . Впервые такая интерпретация была представлена в диссертации Хью Эверетта из Принстона. Согласно этой точке зрения, измерения типа здесь ‑там  над нашей мифической частицей представляют определенное взаимодействие между частицей и прибором, в результате которого волновая функция комбинированной системы перестраивается так, что имеет заметные значения лишь для двух конфигураций; одно значение соответствует конфигурации, в которой частица находится здесь  и указатель прибора указывает на здесь , другое значение соответствует возможности, что частица находится там  и прибор показывает там . Существует и определенная волновая функция, возникшая совершенно детерминированным образом по законам квантовой механики в результате взаимодействия частицы с измерительным прибором. Однако два значения волновой функции соответствуют двум состояниям с разной энергией, а так как измерительный прибор макроскопический, то разница в энергиях двух состояний очень велика и два значения волновой функции осциллируют на сильно отличающихся частотах. Наблюдение положения указателя на приборе напоминает случайную настройку на одну из двух радиостанций, WZ‑ЗДЕСЬ и YX‑TAM; если несущие частоты достаточно разделены, интерференция не возникает и вы принимаете ту или другую радиостанцию с вероятностью, пропорциональной интенсивности сигнала. Отсутствие интерференции между двумя значениями волновой функции означает, что, по существу, мировая история расщепилась на две истории, в одной из которых частица находится здесь , а в другой – там , и с этого момента две истории развиваются без взаимодействия друг с другом^[20].

Применяя правила квантовой механики к комбинированной системе из частицы и измерительного прибора, можно на самом деле доказать, что вероятность обнаружить частицу здесь , а указатель прибора в положении здесь , пропорциональна квадрату значения здесь  волновой функции частицы перед тем самым мгновением, когда она начала взаимодействовать с измерительным прибором, что как раз и постулируется в копенгагенской интерпретации квантовой механики. Однако вопрос Крошки Тима все еще остается без ответа. При вычислении вероятности того, что комбинированная система из частицы и измерительного прибора имеет одну из двух конфигураций, мы неявно все‑таки протащили наблюдателя, который считывает показания прибора и обнаруживает надписи здесь  или там . Хотя при этом прибор рассматривается квантово‑механически, наблюдатель считается классическим; он обнаруживает, что указатель совершенно определенно указывает либо на здесь , либо на там , причем это нельзя предсказать заранее иначе как вероятностным образом. Конечно, можно и наблюдателя рассматривать квантово‑механически, но ценой введения другого наблюдателя, который детектирует результаты наблюдений первого, читая, например, статью в физическом журнале. И так далее.

Множество физиков работало над тем, чтобы очистить основы квантовой механики от любых утверждений о вероятностях^[21] или каком‑то ином интерпретирующем постулате, различающем системы и наблюдателей. То, что требуется, это квантовомеханическая модель с волновой функцией, описывающей не только различные изучаемые системы, но и как‑то учитывающей наличие сознательного наблюдателя. Имея такую модель, можно попытаться показать, что в результате повторяющихся  взаимодействий наблюдателя с отдельными системами волновая функция комбинированной системы с достоверностью эволюционирует к конечной волновой функции, причем наблюдатель в этом конечном состоянии уверен, что вероятности индивидуальных измерений совпадают с предсказаниями в рамках копенгагенской интерпретации. Я не убежден, что такая программа исследований успешно завершена, но думаю, что это может произойти рано или поздно. И тогда реализм Скруджа одержит полную победу.

Самое удивительное в том, насколько все это не имеет значения. Большинство физиков использует квантовую механику в повседневной работе, не заботясь о фундаментальных проблемах ее интерпретации. Будучи здравомыслящими людьми, имеющими очень мало времени на то, чтобы успевать следить за новыми идеями и данными в своей собственной области, они совершенно не тревожатся по поводу всех этих фундаментальных проблем. Недавно Филип Канделас (с физического факультета Техасского университета) ждал вместе со мной лифт, и разговор зашел о молодом теоретике, подававшем надежды на старших курсах и затем исчезнувшем из вида. Я спросил Фила, что помешало бывшему студенту продолжать исследования.

Фил грустно покачал головой и сказал: «Он попытался понять квантовую механику».

Философия квантовой механики настолько не имеет отношения к ее реальному использованию, что начинаешь подозревать, что все глубокие вопросы о смысле измерения на самом деле пусты, порождены несовершенством нашего языка, который создавался в мире, практически управляющемся законами классической физики. Но я признаю, что ощущаю некоторый дискомфорт, всю жизнь используя теорию, которую никто толком не понимает. Нам ведь на самом деле необходимо лучше понимать квантовую механику, если мы хотим заниматься квантовой космологией, т.е. применением квантовой механики ко Вселенной в целом, когда даже вообразить нельзя, что существует какой‑то внешний наблюдатель. Сейчас Вселенная слишком огромна для квантовой механики, чтобы это имело значение, но, согласно теории Большого взрыва, в прошлом было время, когда частицы находились настолько близко друг к другу, что квантовые эффекты должны были быть существенными. В наши дни никто даже не знает правил применения квантовой механики в подобной ситуации.

С моей точки зрения, еще интереснее вопрос о том, является ли квантовая механика с необходимостью истинной наукой . Квантовая механика имела феноменальный успех при объяснении свойств частиц, атомов и молекул, так что мы уверены, что она является очень хорошим приближением к истине. Но вопрос заключается в том, не существует ли другой логически возможной теории, предсказания которой очень близки, но все же отличаются от предсказаний квантовой механики. Легко придумать способы небольшого изменения почти всех физических теорий. Например, ньютоновский закон тяготения, утверждающий, что сила тяготения между двумя частицами убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, можно немного изменить, предположив, что сила убывает по закону, содержащему другую степень расстояния, которая близка, но все же отличается от степени −2. Чтобы экспериментально проверить теорию Ньютона, следует сравнить наблюдения над телами Солнечной системы с теми предсказаниями, которые получаются в случае силы, убывающей по закону с некоторой неизвестной степенью расстояния, и таким образом установить предел того, насколько этот закон может отклоняться от закона обратных квадратов. Даже общую теорию относительности можно немного изменить, например включив более сложные малые слагаемые в уравнения поля или введя в теорию новые слабовзаимодействующие поля. Поразительно, что до сих пор не удалось найти логически непротиворечивой теории, которая была бы близка к квантовой механике, но при этом отличалась от нее.

Несколько лет тому назад я сам попытался построить такую теорию. У меня не было серьезных намерений предложить альтернативу квантовой механике. Я всего лишь хотел построить хоть какую‑нибудь теорию, предсказания которой были бы близки, но не совпадали с предсказаниями квантовой механики и которую можно было бы экспериментально проверить. Для этой цели я попытался предложить физикам‑экспериментаторам идею такого эксперимента, который мог бы служить интересным количественным тестом справедливости квантовой механики. Когда речь идет о проверке само́й квантовой механики, а не какой‑то конкретной квантовомеханической теории вроде стандартной модели, то для того, чтобы экспериментально различить квантовую механику и альтернативную теорию, следует проверить выполнение какого‑то весьма общего свойства любой конкретной квантовомеханической теории. В поисках альтернативы квантовой механике я вцепился в одно общее свойство этой теории, всегда казавшееся несколько более произвольным, чем другие, а именно в свойство линейности .

Нужно сказать несколько слов о смысле линейности. Вспомним, что значения волновой функции любой системы меняются со скоростями, зависящими от этих значений, а также от природы системы и окружающей среды. Например, скорость изменения значения здесь  волновой функции нашей мифической частицы равна некоторой константе, умноженной на значение здесь , плюс другая константа, умноженная на значение там . Динамический закон такого конкретного вида называется линейным, так как если начать менять одно значение волновой функции в произвольный момент времени и построить график любого значения волновой функции в любой последующий момент в зависимости от меняющегося значения, то при прочих равных условиях этот график будет прямой линией. Грубо говоря, отклик системы на любое изменение ее состояния пропорционален этому изменению. Одним из очень важных следствий такой линейности, как отмечал Скрудж, является то, что в квантовой механике не возникает хаотического поведения; малое изменение начальных условий приводит только к малым изменениям значений волновой функции в любой последующий момент времени.

Существует множество классических систем, линейных в указанном смысле, но линейность в классической физике никогда не бывает точной. Наоборот, в квантовой механике предполагается, что она линейна при любых обстоятельствах. Если кто‑то собирается поискать способы изменения квантовой механики, то естественнее всего попробовать исследовать возможность, что эволюция волновой функции не точно линейна.

После некоторых усилий я построил слегка нелинейную альтернативу квантовой механике, казавшуюся физически осмысленной и легко проверяемой с очень высокой точностью. Тестом служило общее следствие линейности, заключающееся в том, что частоты колебаний любой линейной системы не зависят от способа возбуждения этих колебаний.

Например, Галилей заметил, что частота колебаний маятника не зависит от того, насколько велик размах колебаний. Это верно потому что пока амплитуда колебаний достаточно мала, маятник является линейной системой; скорости изменения его отклонения и его импульса пропорциональны, соответственно, импульсу и отклонению. Все часы используют это свойство колебаний линейных систем, идет ли речь о маятниковых, пружинных или кварцевых часах. Несколько лет назад, после разговора с Дэвидом Уайнлендом из Национального бюро стандартов, я понял, что вращающиеся вокруг своей оси ядра, используемые в Бюро для создания эталонов времени, позволяют осуществить превосходный тест линейности квантовой механики; в моей слегка нелинейной альтернативной теории частота, с которой направление спина ядра прецессирует вокруг направления магнитного поля, должна очень слабо зависеть от угла между спином и магнитным полем. Из того факта, что в Бюро стандартов никогда не наблюдали подобного эффекта, я сделал вывод, что любые нелинейные эффекты в изучавшемся ядре (изотопе бериллия) не могут привести к изменению энергии ядра на величину, большую, чем 10−18(в относительных единицах). После этой моей работы Уайнленд и другие экспериментаторы из Гарварда, Принстона и других лабораторий улучшили точность измерений, так что сейчас мы знаем, что нелинейные эффекты давали бы еще меньший вклад. Таким образом, даже если линейность квантовой механики приближенна, это приближение очень хорошее.

Все это не вызывает особого удивления. Даже если существуют малые нелинейные поправки к законам квантовой механики, нет никаких оснований полагать, что эти поправки окажутся достаточно заметными, чтобы быть обнаруженными в первой же серии нацеленных на это экспериментов. Что меня действительно разочаровало, так это то, что нелинейная альтернатива квантовой механике, как оказалось, содержит внутренние теоретические трудности. Сначала я не сумел найти способ распространить нелинейную версию квантовой механики на теории, основанные на специальной теории относительности Эйнштейна. Затем, уже после того, как была опубликована моя работа, Н. Гизин из Женевы и мой коллега Джозеф Польчински из Техасского университета независимо показали, что в мысленном эксперименте Эйнштейна–Подольского–Розена, упоминавшемся Крошкой Тимом, нелинейные свойства альтернативной теории могут  быть использованы для мгновенной посылки сигналов на большие расстояния, что безусловно запрещено специальной теорией относительности^[22]. В конце концов к настоящему времени я прекратил всякую работу над этой проблемой; я просто не знаю, как можно немного изменить квантовую механику, не разрушив ее в результате до основания.

Этот крах теоретической попытки найти приемлемую альтернативу квантовой механике в еще большей степени, чем точные эксперименты по проверке линейности, убеждает меня, что квантовая механика такова, какова она есть, потому что любое ее малое изменение обязательно приведет к логическим противоречиям. Если это так, то квантовая механика должна быть постоянной частью физики. Иными словами, квантовая механика должна выжить не как приближение к более глубокой истине, подобно тому, как ньютоновская теория тяготения сохранилась как приближение к эйнштейновской общей теории относительности, а как точно выполняющееся свойство окончательной теории.

Глава V. Рассказы о теории и эксперименте

 

Когда мы стареем,

 

Мир нам кажется странным. Все сложнее

 

Понять смерть и жизнь. Ведь жизнь

 

Не вспышка без до и после,

 

А пожар без конца и начала.

 

Т. Элиот. Ист Кокер

 

Я хочу теперь рассказать три истории об успехах физики ХХ в. Из всех этих историй можно извлечь поучительный вывод: физики очень часто руководствуются чувством прекрасного, причем это проявляется не только при создании новых теорий, но даже тогда, когда они судят о применимости уже созданных. Похоже, что мы постоянно учимся тому, как предугадывать красоту природы на самом глубоком уровне. Нет ничего прекраснее сознания, что мы действительно продвигаемся вперед к раскрытию окончательных законов природы.

* * *

 

Мой первый рассказ – об общей теории относительности (ОТО), иначе говоря эйнштейновской теории тяготения. Эйнштейн создал свою теорию в 1907–1915 гг. и представил ее миру в серии статей 1915–1916 гг. Если говорить очень коротко, то вместо ньютоновской картины тяготения как притяжения между всеми массивными телами общая теория относительности описывает тяготение как эффект, обусловленный кривизной пространства‑времени, которую создают и вещество, и энергия. К середине 1920‑х гг. эта революционная теория стала общепринятой как правильная теория тяготения, и с тех пор такая точка зрения не изменилась. Как это случилось?

Сразу же, в 1915 г., Эйнштейн заметил, что его теория разрешает старый конфликт между наблюдениями в Солнечной системе и ньютоновской теорией. Еще в 1859 г. было установлено, что поведение орбиты планеты Меркурий не укладывается в рамки ньютоновской теории. Если предположить, что во Вселенной нет ничего, кроме Солнца и одной единственной планеты, то, согласно механике Ньютона и его же теории тяготения, эта планета должна двигаться вокруг Солнца по идеальному эллипсу. Ориентация эллипса, т.е. расположение его большой и малой полуосей в пространстве, никогда не изменяется; все выглядит так, как будто орбита планеты закреплена в пространстве. На самом деле в Солнечной системе имеются другие планеты, которые несколько искажают гравитационное поле Солнца, так что в результате эллиптические орбиты всех планет прецессируют^[23], т.е. медленно поворачиваются в пространстве. В XIX в. стало известно, что орбита Меркурия поворачивается на угол, равный примерно 575 угловым секундам за сто лет. (Напомним, что один градус равен 3 600 угловых секунд.) Однако ньютоновская теория предсказывала, что орбита Меркурия должна прецессировать на угол, равный всего лишь 532 угловым секундам за сто лет. Таким образом, возникло расхождение в 43 угловых секунды за столетие. Другой способ осознать этот результат таков: если вы подождете 225 000 лет, то эллиптическая орбита Меркурия, совершив полный оборот на 360°, вернется в исходное положение, в то время как ньютоновская теория предсказывает, что это займет 244 000 лет. Казалось бы, расхождение не так уж и велико, но оно тревожило астрономов на протяжении более чем полувека. Когда Эйнштейн в 1915 г. начал рассматривать следствия своей новой теории, он сразу же сумел объяснить дополнительную прецессию орбиты Меркурия, равную 43 угловым секундам за сто лет. (Один из эффектов, дающих вклад в эту прецессию в теории Эйнштейна, это дополнительное гравитационное поле, порожденное энергией самого гравитационного поля. В ньютоновской теории тяготения гравитационное поле порождается только массой, а не энергией, поэтому такого добавочного гравитационного поля не возникает.) Позднее Эйнштейн вспоминал, что, получив этот результат, он в течение нескольких дней был вне себя от радости.

После Первой мировой войны астрономы подвергли общую теорию относительности дальнейшей экспериментальной проверке, измерив отклонение световых лучей Солнцем во время полного солнечного затмения 1919 г. Согласно эйнштейновской теории фотоны в световом луче отклоняются гравитационными полями. Это похоже на поведение кометы, прилетевшей в Солнечную систему с далекого расстояния. Комета отклоняется гравитационным полем Солнца, совершает вокруг Солнца оборот и в результате опять уходит в межзвездное пространство. Конечно, отклонение луча света намного меньше, чем отклонение кометы, так как свет распространяется намного быстрее. Быстрые кометы тоже отклоняются меньше, чем медленные. Если общая теория относительности верна, то отклонение светового луча, проходящего вблизи поверхности Солнца, должно составлять 1,75 угловых секунды или примерно пять десятитысячных долей градуса. (Чтобы измерить отклонение луча, астрономы вынуждены ждать солнечного затмения, потому что они пытаются наблюдать искривление световых лучей, приходящих от далеких звезд и проходящих вблизи Солнца. Понятно, что трудно увидеть звезды вблизи Солнца, если только солнечный свет не экранируется Луной, как это и бывает во время затмения. Таким образом, астрономы измеряют положение нескольких звезд на небесной сфере за шесть месяцев до затмения, когда Солнце находится на другой стороне неба, а затем шесть месяцев ждут этого затмения и измеряют, насколько лучи света от тех же самых звезд искривили свой путь в результате прохождения рядом с Солнцем, что проявляется в сдвиге видимого положения звезд на небе.) В 1919 г. британские астрономы снарядили экспедиции для наблюдения солнечного затмения в двух местах: в маленьком городе в северо‑восточной части Бразилии и на острове в Гвинейском заливе. Они обнаружили, что в пределах экспериментальных погрешностей отклонение лучей света от нескольких звезд соответствует предсказаниям Эйнштейна. С этого момента общая теория относительности получила шумную известность во всем мире и стала предметом бесед в салонах.

Так разве непонятно, почему ОТО вытеснила ньютоновскую теорию тяготения? Новая теория объяснила одну давно известную аномалию, дополнительную прецессию Меркурия, и затем предсказала новый поразительный эффект – отклонение луча света Солнцем. Чего же еще?

Конечно, аномальная прецессия Меркурия и отклонение луча света были очень важной частью всей этой истории. Но, как всегда бывает в истории науки (а я подозреваю, что и в истории чего угодно), вся простота проблемы испаряется, если присмотреться к ней повнимательнее.

Рассмотрим расхождение между ньютоновской теорией и наблюдаемым движением Меркурия. Даже если мы ничего не знаем об ОТО, разве это расхождение не указывает нам вполне ясно, что что‑то неладно с ньютоновской теорией тяготения? Совсем не обязательно. Любая теория вроде ньютоновской теории тяготения имеет такое огромное количество приложений, что все время сталкивается с какими‑то экспериментальными аномалиями. Не существует теории, которая не противоречила бы какому‑нибудь эксперименту. На протяжении всей своей истории ньютоновская теория Солнечной системы противоречила разным астрономическим наблюдениям. К 1916 г. в число таких расхождений входили не только аномальная прецессия орбиты Меркурия, но и аномалии в движении комет Галлея и Энке, а также в движении Луны. Во всех этих случаях реальное поведение тел не объяснялось ньютоновской теорией. Сейчас мы знаем, что объяснение аномалий в движении комет и Луны не имеет никакого отношения к основам теории тяготения. Кометы Галлея и Энке ведут себя не так, как следует из вычислений с помощью ньютоновской теории, потому что никто не знает, как правильно учесть в этих вычислениях то давление, которое оказывают газы, вылетающие из ядра движущейся по орбите кометы, когда она нагревается, проходя близко от Солнца. Аналогично, движение Луны очень сложно, так как Луна все‑таки довольно большое тело и поэтому она подвержена влиянию разного рода сложных приливных сил. Оглядываясь назад, мы не должны удивляться, что при применении ньютоновской теории к этим явлениям возникли расхождения. Кроме того, было несколько предложений, как можно было бы объяснить аномалию в движении Меркурия в рамках ньютоновской теории. Одна из возможностей, серьезно обсуждавшихся в начале века, заключалась в том, что между Меркурием и Солнцем якобы имеется какое‑то вещество, слегка искажающее гравитационное поле Солнца. Заметим, что ни одно из расхождений между теорией и экспериментом, образно говоря, не вскакивает, не размахивает флагом и не кричит: «Я самое важное расхождение!» Ученый конца XIX и начала ХХ вв., критически рассматривавший все данные, не мог с уверенностью прийти к выводу, что в какой‑то из известных аномалий в Солнечной системе есть что‑то особо важное. Нужна была теория, которая могла бы объяснить, какое же из наблюдений важно на самом деле.

Как только в 1915 г. Эйнштейн показал, что расчет дополнительной прецессии орбиты Меркурия с помощью ОТО приводит к наблюдаемому значению в 43 угловые секунды за сто лет, это сразу же явилось, конечно, серьезным свидетельством в пользу теории. На самом деле, как я поясню ниже, к этому свидетельству следовало бы отнестись еще более серьезно. Может быть, из‑за обилия других возможных возмущений орбиты Меркурия, может быть, из‑за сомнений в ценности теорий, подтверждаемых уже существующими данными, а может быть, просто из‑за того, что шла война, но так или иначе успешное объяснение Эйнштейном прецессии Меркурия нельзя и рядом поставить с тем воздействием, которое оказало сообщение экспедиции 1919 г. по изучению солнечного затмения, подтвердившей эйнштейновское предсказание отклонения луча света Солнцем.

Обратимся к этому явлению. Начиная с 1919 г., во время ряда затмений астрономы продолжали проверять предсказание Эйнштейна. Такие затмения наблюдались в Австралии в 1922 г., на острове Суматра в 1929 г., на территории СССР в 1936 г. и в Бразилии в 1947 г. Результаты некоторых наблюдений, похоже, находились в согласии с эйнштейновской теорией, но были и такие, которые существенно с ней расходились. И хотя экспедиция 1919 г. на основе наблюдения дюжины звезд сообщила о 10%‑й экспериментальной погрешности в измерении отклонения и о том, что наблюдения согласуются с предсказаниями теории Эйнштейна с такой же 10%‑й точностью, некоторые последующие экспедиции не смогли достичь этой точности, несмотря на то, что наблюдали много больше звезд. Правда, затмение 1919 г. было особенно удобным для таких наблюдений. И все же я склонен считать, что астрономы из экспедиции 1919 г. при анализе своих данных были охвачены чрезмерным энтузиазмом в отношении ОТО.

Действительно, многие ученые того времени скептически относились к данным, полученным во время затмения 1919 г. В докладе Нобелевскому комитету в 1921 г.^[24] Сванте Аррениус упоминал многочисленную критику обнародованных результатов по измерению отклонения лучей света. Однажды в Иерусалиме я встретил престарелого профессора Самбурского, который в 1919 г. был коллегой Эйнштейна в Берлине. Он рассказал мне, что астрономы и физики в Берлине весьма сомневались в том, что британским астрономам удалось на самом деле осуществить столь аккуратную проверку теории Эйнштейна.

Я и в мыслях не могу допустить, что в эти наблюдения вкрался какой‑то сознательный обман. Вы только представьте себе все те неопределенности, с которыми вы сталкиваетесь, пытаясь измерить отклонение луча света Солнцем. Вы наблюдаете звезду, находящуюся на небе рядом с солнечным диском в тот момент, когда Солнце заслоняется Луной. Вы должны сравнить положение звезды на двух фотопластинках, сделанных с интервалом в шесть месяцев. Во время этих двух наблюдений телескоп может быть чуть по‑разному сфокусирован. Сами фотопластинки могут быть чуть передержаны или недодержаны. И так далее. Как и в любом другом эксперименте, необходимо учитывать все мыслимые поправки. Астрономы вносят эти поправки, опираясь на имеющиеся у них знания. Но когда знаешь ответ, возникает естественное желание вносить поправки лишь до тех пор, пока не получится «правильное» значение, а затем перестать искать другие поправки. Так, астрономов из экспедиции 1919 г. обвиняли в подгонке^[25] за то, что они отбросили данные, полученные с одной из фотопластинок и расходившиеся с теорией Эйнштейна, и списали расхождение на счет изменения фокуса телескопа. Задним числом можно, конечно, сказать, что британские астрономы оказались правы, но я не удивился бы, если бы узнал, что они продолжали искать поправки лишь до тех пор, пока их результат с учетом всех поправок не совпал с теорией Эйнштейна.

Считается общепринятым мнение, что истинной проверкой теории является сравнение ее предсказаний с результатами экспериментов. Однако, оглядываясь назад, можно утверждать, что успешное объяснение Эйнштейном в 1915 г. ранее измеренной аномалии орбиты Меркурия явилось значительно более существенным тестом общей теории относительности, чем проверка его вычислений отклонения света в наблюдениях во время солнечных затмений 1919 г. и далее. Таким образом, в случае общей теории относительности последующее подтверждение , т.е. вычисление уже известного аномального движения Меркурия, оказалось на самом деле более важной проверкой теории, чем предсказание  нового эффекта отклонения луча света гравитационными полями^[26].

Я думаю, что все так подчеркивают важность предсказания при проверке научных теорий, потому что стандартная точка зрения научных комментаторов заключается в том, чтобы не доверять теоретикам. Все боятся, что теоретик может подогнать свою теорию так, что она будет объяснять любые известные экспериментальные факты. Таким образом, то, что теория объясняет эти факты, не считается убедительным тестом самой теории.

Однако, несмотря на то, что Эйнштейн еще в 1907 г. изучил вопрос об аномальной прецессии орбиты Меркурия, никто из тех, кто хоть немного знает, как строилась общая теория относительности, кто пытался вникнуть в логику Эйнштейна, не может предположить, что он занимался созданием общей теории относительности для того, чтобы объяснить эту прецессию. (Я вернусь через минуту к ходу мыслей Эйнштейна.) Часто следует не доверять именно успешному предсказанию . Правда, что в случае настоящего предсказания, вроде эйнштейновского предсказания отклонения лучей света Солнцем, теоретик не знает никаких экспериментальных данных, строя свою теорию. Но с другой стороны, экспериментатор знает теоретический результат до того, как он начинает эксперимент. А это может привести, и, как показывает история науки, приводило к искажениям из‑за чрезмерного доверия к вычислениям, сделанным задним числом. Я повторяю: экспериментаторы не фальсифицируют свои данные. Насколько мне известно, в истории физики не было случая, чтобы какие‑то важные данные сознательно искажались. Но если экспериментаторы знают тот результат, который они теоретически ожидают получить, то им, естественно, очень трудно прекратить поиски ошибок наблюдения, если этот результат не получается, или, наоборот, продолжать такие поиски, если обнаружено совпадение с предсказанием. То, что экспериментаторы все же не всегда получают те результаты, которые ожидают, свидетельствует о силе их характера.

Подведем предварительные итоги. Мы видели, что первые экспериментальные свидетельства в пользу общей теории относительности^[27] сводились к единственному успешному вычислению задним числом аномалии в движении Меркурия, которое не было воспринято достаточно серьезно, и предсказанию нового эффекта отклонения луча света Солнцем, кажущееся успешное подтверждение которого вызвало много шума, однако на самом деле было отнюдь не таким убедительным, как в то время считалось. По крайней мере несколько ученых встретили его со скептицизмом. Только после Второй мировой войны, благодаря развитию новой радарной техники и радиоастрономии, удалось существенно продвинуться в увеличении точности этих экспериментальных тестов общей теории относительности^[28].

Сегодня можно утверждать, что предсказания общей теории относительности для отклонения (и одновременно задержки) луча света, проходящего рядом с Солнцем, для аномалий орбитального движения как Меркурия, так и астероида Икар и других естественных и искусственных тел, подтверждены с экспериментальной неопределенностью менее 1 %. Но в 1920‑е гг. до этого было еще далеко.

Тем не менее, несмотря на слабость экспериментальной поддержки, теория Эйнштейна еще в 1920‑е гг. вошла в стандартные учебники и с тех пор не сдавала свои позиции, невзирая на то, что разные экспедиции по наблюдению за солнечными затмениями в 1920–1930 гг. сообщали, по меньшей мере, о сомнительном согласии с теорией. Помню, что, когда в 1950‑х гг., еще до появления новых впечатляющих подтверждений теории, полученных с помощью современных радаров и радиоастрономии, я изучал общую теорию относительности, я принимал как данное, что эта теория более или менее верна. Возможно, мы все были тогда доверчивы и легкомысленны, но думаю, что объяснение не в этом. Я уверен, что широкое признание ОТО было связано главным образом с привлекательностью самой теории, проще говоря с ее красотой.

Развивая общую теорию относительности, Эйнштейн следовал линии рассуждений, которую могли проследить и физики последующих поколений, желавшие разобраться в этой теории. Более того, в этих рассуждениях они увидели бы те же притягательные черты, которые в свое время привлекли внимание Эйнштейна. Историю можно проследить назад до 1905 г., annus mirabilis  Эйнштейна. В этом году, одновременно с развитием квантовой теории света и теории движения малых частиц в жидкостях^[29], Эйнштейн развил новый взгляд на пространство и время, известный нам сейчас под названием специальной теории относительности. Эта теория находилась в согласии с общепринятой теорией электричества и магнетизма – электродинамикой Максвелла. Наблюдатель, движущийся с постоянной скоростью, наблюдал бы, что пространственно‑временные интервалы и электромагнитные поля изменяются за счет скорости движения наблюдателя таким образом, что уравнения Максвелла остаются справедливыми (что и не удивительно, так как специальная теория относительности строилась именно так, чтобы удовлетворить этому требованию). Однако специальная теория относительности была совершенно несовместима с ньютоновской теорией тяготения. С одной стороны, в теории Ньютона сила тяготения между Солнцем и планетой зависит от расстояния между положениями этих тел, измеренными в один и тот же момент времени , а с другой стороны, в специальной теории относительности нет понятия абсолютной одновременности – разные наблюдатели, в зависимости от того, как они движутся, будут наблюдать одно и то же событие происходящим раньше, одновременно или позже другого.

Имелось несколько способов так изменить теорию Ньютона, чтобы привести ее в согласие с специальной теорией относительности. Сам Эйнштейн испробовал по крайней мере один из них, прежде чем создал общую теорию относительности^[30]. Ключевой идеей, с которой начался в 1907 г. путь к ОТО, стало знакомое и проверенное свойство тяготения: сила тяготения пропорциональна массе того тела, на которое она действует. Эйнштейн понял, что это напоминает свойства так называемых сил инерции, которые действуют на нас тогда, когда мы движемся с переменной скоростью или меняем направление движения. Именно сила инерции прижимает пассажиров к спинкам кресел во время разбега самолета. Другим примером силы инерции является центробежная сила, не дающая Земле упасть на Солнце. Все силы инерции, как и силы тяготения, пропорциональны массам тех тел, на которые они действуют. Мы на Земле не ощущаем ни гравитационного поля Солнца, ни центробежной силы, вызванной движением Земли вокруг Солнца, так как эти две силы уравновешивают друг друга. Однако баланс нарушился бы, если бы одна сила была пропорциональна массе объекта, на который она действует, а другая – нет. В этом случае некоторые тела могли бы падать с Земли на Солнце, а другие, наоборот, отбрасываться от Солнца в межзвездное пространство. В общем случае тот факт, что и силы тяготения, и силы инерции пропорциональны массе того тела, на которое они действуют, и не зависят более ни от каких свойств тел, позволяет ввести в каждой точке произвольного гравитационного поля «свободно падающую систему отсчета», в которой не ощущаются ни силы тяготения, ни силы инерции, так как они точно уравновешивают друг друга для любых тел. Когда мы ощущаем силы тяготения или силы инерции, это означает, что мы не находимся в свободно падающей системе отсчета. Например, на поверхности Земли свободно падающие тела ускоряются в направлении к центру Земли с ускорением примерно 10 м/с2. Мы ощущаем тяготение Земли до тех пор, пока сами не начнем двигаться вниз с тем же самым ускорением, т.е. начнем свободное падение. Эйнштейн совершил логический скачок и предположил, что если посмотреть в корень, то силы тяготения и силы инерции это одно и то же. Это утверждение Эйнштейн назвал принципом эквивалентности инерции и тяготения, или коротко принципом эквивалентности. Согласно этому принципу, всякое гравитационное поле полностью задается описанием того, какая система отсчета является свободно падающей в каждой точке пространства‑времени.

Почти десять лет после 1907 г. Эйнштейн провел в поисках соответствующего этим идеям математического аппарата. Наконец ему удалось найти то, что требовалось, в глубокой аналогии между ролями гравитации в физике и кривизны в геометрии. То, что с помощью выбора подходящей свободно падающей системы отсчета можно добиться, что сила тяготения на короткое время исчезает в малой окрестности любой точки в гравитационном поле, очень похоже на свойство кривых поверхностей, заключающееся в том, что всегда можно сделать карту этой поверхности, на которой вблизи любой точки будут правильно изображены все расстояния и направления. Если поверхность кривая, то ни одна карта не способна правильно отобразить расстояния и направления везде; всякая карта большой области является компромиссом, в большей или меньшей степени искажающим расстояния и направления. Знакомая всем проекция Меркатора, используемая при создании географических карт Земли, дает достаточно точное представление об истинных расстояниях и направлениях вблизи экватора, но чудовищно искажает картину вблизи полюсов, так что в результате Гренландия распухает во много раз больше своего истинного размера. Точно так же одним из признаков того, что вы находитесь в гравитационном поле, является невозможность найти единственную  свободно падающую систему отсчета, в которой везде полностью скомпенсированы гравитационное поле и эффекты инерции^[31].

Начав с этой аналогии между тяготением и кривизной, Эйнштейн пришел к выводу, что тяготение есть не что иное, как проявление кривизны пространства и времени. Для развития этой идеи ему потребовалась математическая теория искривленных пространств, обобщающая знакомую геометрию сферической двумерной поверхности Земли. Эйнштейн был величайшим физиком мира со времен Ньютона, естественно, он знал математику так же, как и большинство физиков его времени, но все же математиком он не был. В конце концов точно то, что ему требовалось, нашлось в полностью разработанной Риманом и другими математиками предыдущего столетия теории искривленных пространств. В окончательной форме общая теория относительности стала просто новой интерпретацией существовавшей математической теории искривленных пространств в терминах тяготения, дополненной полевым уравнением , определявшим кривизну, создаваемую любым данным количеством вещества и энергии. Существенно, что для Солнечной системы с ее малой плотностью и малыми скоростями движения планет общая теория относительности приводила в точности к тем же результатам, что и теория Ньютона, так что две теории отличались только крохотными эффектами вроде прецессии орбит или отклонения луча света.

У меня есть еще, что сказать дальше по поводу красоты общей теории относительности. Пока что я надеюсь, что сказал достаточно, чтобы дать читателю возможность почувствовать привлекательность этих идей. Думаю, что именно эта внутренняя привлекательность и поддерживала веру физиков в ОТО в течении десятилетий, когда данные, полученные после очередных солнечных затмений, выглядели все более разочаровывающими.

Такое впечатление еще более усиливается, если посмотреть на то, как воспринимали общую теорию относительности в первые годы ее существования до  результатов экспедиции по изучению затмения 1919 г. Самым важным было то, как сам Эйнштейн воспринимал свою теорию. В открытке, адресованной более старшему теоретику Арнольду Зоммерфельду и датированной 8 февраля 1916г., Эйнштейн писал: «Вы убедитесь в справедливости общей теории относительности сразу же, как только ее изучите. Поэтому я ни единым словом не собираюсь ее защищать». Я, конечно, не могу знать, до какой степени успешное вычисление прецессии орбиты Меркурия в 1916 г. повлияло на уверенность Эйнштейна в справедливости ОТО, но ясно, что задолго до того, как он сделал это вычисление, что‑то должно было укреплять его веру в идеи, которые легли в основу теории, и толкало на дальнейшую работу. Этим чем‑то могла быть только привлекательность самих идей.

Не следует недооценивать такую раннюю уверенность. История науки знает бесчисленное количество примеров ученых, у которых были хорошие идеи, но они не стали их развивать в свое время, хотя через много лет обнаруживалось (часто совсем другими людьми), что эти идеи приводят к заметному прогрессу в науке. Общераспространенной ошибкой является предположение, что ученые обязательно яростно защищают собственные идеи. Очень часто ученый, выдвинувший новую идею, сам подвергает ее необоснованной или избыточной критике только потому, что если начать эту идею серьезно развивать, то тогда нужно долго и упорно работать, причем (что более важно) забросив при этом все остальные исследования.

На самом деле общая теория относительности произвела глубокое впечатление  на физиков. Многие выдающиеся специалисты в Германии и других странах узнали об ОТО и отнеслись к ней как к многообещающей и важной теории задолго до экспедиции 1919 г. Среди этих специалистов были не только Зоммерфельд в Мюнхене, Макс Борн и Давид Гильберт в Гёттингене и Хендрик Лоренц в Лейдене, с каждым из которых Эйнштейн общался во время войны, но и Поль Ланжевен во Франции и Артур Эддингтон в Англии (именно он организовал экспедицию 1919 г.). Очень показательны предложения о присуждении Эйнштейну Нобелевской премии, поступавшие начиная с 1916 г. Так, в 1916 г. Феликс Эренгафт выдвинул Эйнштейна на Нобелевскую премию за его теорию броуновского движения, а также за специальную и общую теории относительности. В 1917 г. А. Гааз выдвинул его за общую теорию относительности (отмечая как свидетельство правильности теории успешное вычисление прецессии орбиты Меркурия). В том же 1917 г. Эмиль Вартбург выдвинул Эйнштейна за многочисленные вклады в науку, включая общую теорию относительности. Еще ряд подобных выдвижений последовал в 1918 г. Наконец, в 1919 г., за четыре месяца до экспедиции по изучению затмения Солнца, Макс Планк, один из отцов современной физики, выдвинул Эйнштейна за создание общей теории относительности, прокомментировав это словами, что «Эйнштейн сделал первый шаг за круг теории Ньютона».

Я совершенно не утверждаю, что мировое сообщество физиков было с самого начала полностью и безоговорочно убеждено в справедливости ОТО. Например, в докладе Нобелевского комитета за 1919 г. предлагалось подождать до солнечного затмения 29 мая 1919 г., прежде чем принимать решение по поводу ОТО. Даже после 1919 г., когда Эйнштейну все‑таки присудили Нобелевскую премию, ее дали ему не за создание специальной и общей теорий относительности, а «за его вклад в теоретическую физику, в частности за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

На самом деле не так уж и важно точно установить момент, когда физики на 75, на 90 или на 99 % убедились в истинности ОТО. Важным для прогресса в науке является не решение о том, что теория верна, а решение, что к этой теории следует отнестись серьезно, т.е. что она заслуживает того, чтобы рассказывать ее студентам, писать о ней учебники, наконец, использовать в собственных исследованиях. С этой точки зрения самой важной победой, одержанной ОТО на первых порах, было обращение в новую веру многих физиков (не считая самого Эйнштейна), в том числе британских астрономов. Они убедились не столько в том, что ОТО верна, сколько в том, что она приемлема и достаточно красива для того, чтобы посвятить проверке ее предсказаний значительную часть своих исследований и уехать за тысячи миль от Англии, чтобы наблюдать солнечное затмение 1919 г. Но еще до завершения общей теории относительности и успешного вычисления прецессии орбиты Меркурия красота эйнштейновской теории настолько захватила Эрвина Фрейндлиха из Королевской обсерватории в Берлине, что он снарядил на деньги Круппа экспедицию в Крым для наблюдения солнечного затмения 1914 г. (Война прервала его наблюдения, и за все свои старания Фрейндлих был временно задержан в России.)

Восприятие общей теории относительности зависело не от экспериментальных данных, как таковых, и не от внутренних качеств, присущих теории, а от сложного переплетения теории и эксперимента. Я подчеркиваю теоретическую сторону дела в противовес наивной переоценке экспериментальных данных. Ученые и историки науки уже давно отказались от старого тезиса Френсиса Бэкона, что научная гипотеза должна исследоваться путем терпеливого и беспристрастного наблюдения над природой. Совершенно очевидно, что Эйнштейн не копался в астрономических данных, создавая ОТО. И все же широко распространена точка зрения Джона Стюарта Милля, что проверить  наши теории можно только с помощью наблюдений. Но, как мы видели, в отношении к ОТО эстетические суждения и экспериментальные данные были неразрывно связаны.

В определенном смысле с самого начала имелось огромное количество экспериментальных данных в поддержку ОТО, а именно наблюдения траекторий движения Земли вокруг Солнца, Луны вокруг Земли, а также все остальные детальные измерения в Солнечной системе, начатые еще Тихо Браге и его предшественниками и уже объясненные ньютоновской теорией. На первый взгляд подобные свидетельства могут показаться очень странными. Ведь мы не просто говорим о свидетельствах в пользу ОТО, заключающихся в сделанных задним числом вычислениях планетных движений, уже измеренных к тому времени, когда была создана теория. Нет, мы говорим сейчас об астрономических наблюдениях, не только сделанных до того, как Эйнштейн сформулировал свою теорию, но уже объясненных другой теорией, созданной Ньютоном. Как же может быть, чтобы успешное предсказание или объяснение задним числом подобных наблюдений могло расцениваться как триумф именно общей теории относительности?

Чтобы это понять, нам нужно повнимательнее присмотреться к теориям Ньютона и Эйнштейна. Ньютоновская физика сумела объяснить практически все наблюдаемые движения в Солнечной системе, однако сделала это ценой введения ряда довольно произвольных предположений. Например, рассмотрим закон, утверждающий, что сила тяготения, действующая со стороны некоторого тела на другое тело, убывает как квадрат расстояния между ними. В теории Ньютона нет ничего, что принуждало бы к выбору именно закона обратных квадратов. Сам Ньютон предложил этот закон, чтобы объяснить известные факты, касающиеся Солнечной системы, например закон Кеплера, связывающий размеры орбит планет со временем их обращения вокруг Солнца. Если же не обращать внимания на данные наблюдений, то в теории Ньютона можно заменить закон обратных квадратов законом обратных кубов или законом с показателем степени 2,01 в знаменателе без малейшего ущерба для основ самой теории^[32]. Изменились бы лишь мелкие детали. Теория Эйнштейна значительно менее произвольна, она очень жестко построена. Если рассматривать медленно движущиеся тела в слабом гравитационном поле, когда мы, собственно, и можем говорить об обычной силе тяготения, то из уравнений общей теории относительности вытекает , что сила обязана уменьшаться по закону обратных квадратов. Невозможно без насилия над основными положениями теории так изменить ОТО, чтобы получить вместо закона обратных квадратов какую‑то иную зависимость силы тяготения от расстояния.

Далее, как особо подчеркивал Эйнштейн в своих работах, тот факт, что сила тяготения, действующая на тело малых размеров, пропорциональна только массе этого тела и не зависит ни от каких других его свойств, выглядит в теории Ньютона достаточно произвольным. В рамках этой теории гравитационная сила могла бы зависеть от размеров, формы или химического состава тела, и это не привело бы к потрясению основ. В теории Эйнштейна сила тяготения, действующая на тело, обязана  быть пропорциональной массе тела и не зависеть от любых иных его свойств^[33]; если бы это было не так, силы тяготения и силы инерции по‑разному действовали бы на разные тела и было бы невозможно говорить о свободно падающей системе отсчета, в которой ни одно тело не испытывает действия сил тяготения. Это, в свою очередь, не позволило бы интерпретировать тяготение как геометрический эффект кривизны пространства‑времени. Еще раз повторим, что теория Эйнштейна обладает значительно большей жесткостью, чем теория Ньютона. Именно по этой причине Эйнштейн имел право полагать, что именно ему удалось объяснить обычные движения тел в Солнечной системе так, как не мог этого сделать Ньютон.

К сожалению, очень трудно точно сформулировать понятие жесткости физической теории. И Ньютон, и Эйнштейн знали общие свойства движения планет до того, как они сформулировали свои теории; более того, Эйнштейн знал, что он должен получить для силы тяготения что‑то похожее на закон обратных квадратов, с тем, чтобы его теория воспроизводила успехи теории Ньютона. Наконец, он знал, что нужно как‑то разобраться с зависимостью гравитационной силы от массы. Лишь рассматривая всю окончательно завершенную теорию в целом, можно сказать, что ОТО объяснила закон обратных квадратов или пропорциональность гравитационной силы массе тела, но все равно это суждение остается делом вкуса и интуиции. Ведь оно на самом деле сводится к утверждению, что, если изменить теорию Эйнштейна так, чтобы допустить иной закон вместо закона обратных квадратов или допустить непропорциональность силы тяготения массе тела, то теория станет невыносимо безобразной. Итак, высказывая суждения о значении тех или иных данных, мы снова используем эстетические оценки и наше общее теоретическое наследие.

* * *

 

Мой следующий рассказ посвящен квантовой электродинамике – квантово‑механической теории взаимодействия электронов и света. В определенном смысле это зеркальное отражение предыдущего рассказа. В течение сорока лет общая теория относительности рассматривалась как правильная теория тяготения, несмотря на скудость свидетельств в ее пользу, и происходило это потому, что теория была неотразимо прекрасна. В противоположность этому квантовая электродинамика сразу же нашла подтверждение в огромном количестве экспериментальных данных, но несмотря на это двадцать лет к ней относились с большим недоверием из‑за внутренних теоретических противоречий, которые, казалось, могли быть разрешены только очень некрасивым образом.

В 1926 г. в одной из первых работ по квантовой механике, так называемой «работе троих» (Dreimännerarbeit ), авторами которой были Макс Борн, Вернер Гейзенберг и Паскуаль Йордан, эта теория была применена для описания электрического и магнитного полей. Удалось показать, что энергия и импульс электрического и магнитного полей в луче света распространяются сгустками^[34], ведущими себя как частицы, и подтвердить, таким образом, справедливость идеи Эйнштейна, высказанной им в 1905 г., о частицах света – фотонах. Другой главной составной частью квантовой электродинамики стала созданная в 1928 г. теория Поля Дирака. В первоначальной форме эта теория показала, каким образом совместить квантовомеханическое описание электронов на языке волновых функций с требованиями специальной теории относительности. Одним из важнейших следствий теории Дирака было то, что для каждого сорта заряженных частиц вроде электрона должна существовать частица той же массы, но с противоположным по знаку зарядом, – так называемая античастица. Античастица к электрону была открыта в 1932 г. и называется позитроном. В конце 20‑х – начале 30‑х гг. квантовая электродинамика была использована для расчета множества физических процессов (например, рассеяние фотона при столкновении с электроном, рассеяние одного электрона другим, аннигиляция или рождение электрона и позитрона), причем результаты расчетов в целом находились в прекрасном согласии с экспериментом.

Тем не менее к середине 1930‑х гг. возобладала точка зрения, что квантовую электродинамику можно рассматривать всерьез только как некоторое приближение, справедливое лишь для реакций с участием фотонов, электронов и позитронов достаточно малых энергий. Трудность, с которой столкнулись ученые, была непохожа на обычные трудности, о которых рассказывают в популярных трудах по истории науки, когда возникают противоречия между теоретическими предсказаниями и экспериментальными данными. В данном случае существенное противоречие возникло внутри самой физической теории. Это была проблема бесконечностей.

Существование этой проблемы в разных формах отмечалось Гейзенбергом и Паули, а также шведским физиком Айваром Валлером, но наиболее ясно и тревожно она прозвучала в 1930 г. в работе молодого американского физика‑теоретика Роберта Юлиуса Оппенгеймера. В этой работе Оппенгеймер попытался использовать квантовую электродинамику для расчета одного тонкого эффекта, связанного с энергиями атомов. Электрон в атоме способен испустить квант света, фотон, затем некоторое время покрутиться по орбите и вновь поглотить этот фотон (похоже на игрока в американский футбол, который подхватывает мяч, брошенный им самим же). Фотон никогда не покидает пределы атома, и мы можем судить о его существовании только косвенно, по тому влиянию, которое он оказывает на такие свойства атома, как его энергия или создаваемое им магнитное поле. (Такие фотоны называются виртуальными .) Согласно правилам квантовой электродинамики, этот процесс приводит к сдвигу энергии атомного состояния, причем величина его может быть представлена в виде суммы бесконечного числа вкладов^[35], каждый из которых соответствует каждому возможному значению энергии виртуального фотона, которая ничем не ограничена. Оппенгеймер обнаружил при вычислении, что так как в сумму дают вклад слагаемые, отвечающие фотонам неограниченно большой энергии, то и сама сумма оказывается бесконечной, что в результате приводит к бесконечно большому сдвигу энергии атома^[36]. Высокие энергии соответствуют малым длинам волн; так как ультрафиолетовый свет имеет меньшую длину волны, чем видимый, возникновение такой бесконечности назвали ультрафиолетовой катастрофой .

В 30‑е и в начале 40‑х гг. большинство физиков сходилось во мнении, что появление ультрафиолетовой катастрофы в расчетах Оппенгеймера и других просто свидетельствует о том, что нельзя доверять существующей теории фотонов и электронов, если энергия этих частиц превышает несколько миллионов электрон‑вольт. Сам Оппенгеймер горячо отстаивал такую точку зрения. Отчасти это было связано с тем, что Оппенгеймер был одним из лидеров в изучении космических лучей, высокоэнергетечиских частиц, проникающих в атмосферу Земли из космоса. Исследование того, как частицы космического излучения взаимодействуют с атмосферой, указывало на странное поведение частиц высокой энергии. Действительно, странности были, но они не имели никакого отношения к проблемам применимости квантовой теории электронов и фотонов, на самом деле необычные явления были свидетельствами рождения частиц нового типа, которые мы сейчас называем мюонами. Но даже после того, как в 1937 г. мюоны были открыты, все равно считалось, что при попытке применить квантовую электродинамику к электронам и фотонам больших энергий происходит что‑то не то.

Проблему бесконечностей можно было бы решить с помощью грубой силы, просто постановив, что электроны могут испускать и поглощать только фотоны, энергия которых ниже некоторого граничного значения. Все успехи, достигнутые в 1930‑е гг. квантовой электродинамикой в объяснении взаимодействий электронов и фотонов, относились к процессам с участием фотонов низких энергий, так что эти успехи могли быть сохранены, если предположить, что граничное значение энергий фотонов достаточно велико, например 10 миллионов электрон‑вольт. При таком выборе предела энергии виртуальных фотонов квантовая электродинамика предсказывала бы очень маленькие сдвиги энергии атомов. В то время никто еще не мог измерить энергии атомов с необходимой точностью, чтобы проверить, существуют или нет эти крохотные сдвиги энергии, так что вопрос о расхождениях с опытом не возникал. (На самом деле отношение к квантовой электродинамике было столь пессимистичным, что никто и не пытался вычислить величину этих сдвигов.) Беспокойство в связи с подобным решением проблемы бесконечностей возникало не из‑за конфликта с опытом, а из‑за того, что предлагаемый выход из положения был слишком произволен и слишком уродлив.

В физической литературе 1930‑х и 1940‑х гг. можно обнаружить множество других возможных, но малопривлекательных решений проблемы бесконечностей, включая даже теории, в которых бесконечности, связанные с испусканием и последующим поглощением фотонов, сокращались с вкладом других процессов, имевших отрицательную вероятность. Ясно, что понятие отрицательной вероятности не имеет смысла; попытка ввести это понятие в физику есть мера отчаяния, ощущавшегося в связи с проблемой бесконечностей.

Найденное в конце концов решение проблемы бесконечностей, появившееся в конце 1940‑х гг.^[37], было значительно более естественным и совсем не революционным. Эта проблема вышла на передний план в начале июня 1947 г. во время конференции, проводившейся в гостинице «Баранья голова» в Шелтер Айленде. Конференция была организована с целью собрать вместе физиков, готовых после войны вновь начать думать над фундаментальными проблемами. Случилось так, что эта конференция стала наиболее важной из всех после знаменитой Сольвеевской конференции, состоявшейся пятнадцатью годами ранее в Брюсселе, когда Эйнштейн и Бор вели битву титанов по поводу будущего квантовой механики.

Среди физиков, принимавших участие в конференции в Шелтер Айленде, был Уиллис Лэмб, молодой экспериментатор из Колумбийского университета. Используя микроволновую радарную технологию, разработанную во время войны, Лэмб сумел как раз перед началом конференции очень точно измерить один из эффектов^[38], который пытался еще в 1930 г. рассчитать Оппенгеймер, а именно сдвиг энергии атома водорода благодаря испусканию и последующему поглощению фотона. Этот эффект известен теперь под названием лэмбовского сдвига. Проведенные измерения сами по себе не имели никакого отношения к решению проблемы бесконечностей, но побудили физиков вновь попытаться вступить в схватку с этой задачей, чтобы вычислить измеренное значение лэмбовского сдвига. Найденное тогда решение проблемы определило развитие физики до наших дней.

Ряд теоретиков, принимавших участие в конференции в Шелтер Айленде, уже были наслышаны о результатах Лэмба и приехали на конференцию с готовой идеей того, как можно было бы вычислить лэмбовский сдвиг, пользуясь принципами квантовой электродинамики и обойдя при этом проблему бесконечностей. Рассуждения были таковы. На самом деле тот сдвиг энергии атома, который происходит в результате испускания и последующего поглощения фотонов, не является непосредственно наблюдаемым; в действительности единственной наблюдаемой в эксперименте величиной является полная энергия атома, которая рассчитывается добавлением этого сдвига к той энергии, которую вычислил еще в 1928 г. Дирак. Эта полная энергия зависит от голой массы  и голого заряда  электрона, т.е. от тех величин, которые входят в уравнения теории до того, как мы начинаем рассматривать проблемы испускания и последующего поглощения фотонов. Но ведь свободные электроны, так же как и электроны, находящиеся в атомах, все время испускают и вновь поглощают фотоны, что влияет на массу и заряд электронов. Поэтому значения голых массы и заряда совсем не равны измеренным на опыте значениям массы и заряда электрона, которые приводятся в таблицах элементарных частиц. На самом деле, чтобы получить наблюдаемые (естественно, конечные) значения массы и заряда электрона, нужно потребовать, чтобы голые масса и заряд были сами бесконечно большими. Таким образом, полная энергия атома представляется в виде суммы двух слагаемых, каждое из которых бесконечно велико: голой энергии, которая бесконечна, так как зависит от бесконечно больших по величине голых массы и заряда, и сдвига энергии, вычисленного Оппенгеймером, который бесконечно велик, так как в него вносят вклад виртуальные фотоны сколь угодно большой энергии. Возникает вопрос: может ли быть так, что две эти бесконечности сокращают друг друга, приводя к конечной полной энергии?^[39]

На первый взгляд ответ казался отрицательным. Но Оппенгеймер кое‑что проглядел в своих вычислениях. Сдвиг энергии обусловлен не только вкладом процессов, в которых электрон испускает и затем вновь поглощает фотон, но и процессов, в которых спонтанно, из вакуума, рождаются позитрон, фотон и другой электрон, а затем фотон поглощается при аннигиляции позитрона и исходного электрона. На самом деле этот удивительный процесс обязательно должен  быть включен в вычисления, чтобы окончательный ответ для энергии атома зависел от его скорости так, как этого требуют законы специальной теории относительности. (Это один из примеров, иллюстрирующих важнейшее утверждение, много лет назад доказанное Дираком, что квантовомеханическая теория электрона совместима с специальной теорией относительности, только если в теории на равных правах рассматривается и позитрон, античастица к электрону.) Одним из теоретиков, присутствовавших на конференции, был Виктор Вайскопф.

Еще в 1936 г. он вычислил вклад в сдвиг энергии за счет процесса с участием позитронов и обнаружил, что этот вклад почти сокращает ту бесконечность, которую получил Оппенгеймер^[40]. Теперь уже было не очень трудно догадаться, что если учесть процессы с позитронами и  принять во внимание разницу между голыми массой и зарядом электрона и их наблюдаемыми значениями, то все бесконечности в сдвиге энергии взаимно сократятся.

Хотя Оппенгеймер и Вайскопф присутствовали на конференции в Шелтер Айленде, все же первым теоретиком, вычислившим величину лэмбовского сдвига, стал Ганс Бете, уже известный своими работами по ядерной физике, в том числе описанием в 1930 г. тех цепочек ядерных реакций, которые позволяют звездам светиться. Основываясь на циркулировавших на конференции идеях, Бете в вагоне поезда, увозившего его домой, сделал грубое вычисление величины того сдвига, который измерил Лэмб. Бете еще не владел по‑настоящему эффективной техникой вычислений, включающей позитроны и учитывающей другие эффекты специальной теории относительности, так что выполненная в поезде работа во многом следовала идеям Оппенгеймера семнадцатилетней давности. Разница заключалась в том, что в тот момент, когда в вычислениях возникли бесконечности, Бете просто отбросил вклад в энергетический сдвиг, обусловленный испусканием и поглощением фотонов больших энергий (он совершенно произвольно ограничил энергии фотонов величиной, эквивалентной массе электрона). В результате Бете получил конечный результат, оказавшийся в удовлетворительном согласии с измерениями Лэмба. Подчеркнем, что само это вычисление мог бы прекрасно сделать и Оппенгеймер в 1930 г., но потребовались экспериментальные данные, требовавшие своего немедленного объяснения, и воодушевление идеями, носившимися в воздухе на конференции в Шелтер Айленде, чтобы подтолкнуть кого‑то к доведению работы до конца.

Вскоре физики сделали более аккуратное вычисление лэмбовского сдвига^[41], включавшее процессы с позитронами и другие релятивистские эффекты. Важность этих расчетов была не столько в том, что получился более аккуратный результат, а в том, что была решена проблема бесконечностей; оказалось, что все бесконечности благополучно сокращаются без всякого произвольного отбрасывания вкладов виртуальных фотонов высоких энергий.

Как говорил Ницше, «все то, что нас не убивает, делает нас сильнее»^[42]. Проблемы бесконечностей почти загубили квантовую электродинамику, но затем она была спасена благодаря идее сокращения бесконечностей с помощью переопределения или перенормировки  массы и заряда электрона. Однако для того, чтобы можно было решить проблему бесконечностей указанным способом, необходимо, чтобы они возникали в процессе вычислений в небольшом числе строго определенных случаев, соответствующих ограниченному классу специальных простых квантовых теорий поля. Такие теории называются перенормируемыми . Простейшая версия квантовой электродинамики перенормируема в указанном смысле, однако любое малейшее изменение разрушает это свойство и приводит к такому варианту теории, когда бесконечности не могут быть сокращены путем переопределения констант. Таким образом, квантовая электродинамика не только математически удовлетворительна и согласуется с экспериментом, но и содержит в самой себе объяснение своей структуры: любое небольшое изменение в теории приводит не только к расхождению с опытом, но к вообще абсурдным результатам – бесконечным значениям экспериментально хорошо определенных величин.

Проделанные в 1948 г. вычисления лэмбовского сдвига были ужасно сложными. Дело в том, что хотя вычисления и включали позитроны, но сам сдвиг представлялся в виде суммы слагаемых, каждое из которых нарушало требования специальной теории относительности, так что только окончательный ответ был с ней совместим. Тем временем Ричард Фейнман, Джулиан Швингер и Синитиро Томонага независимо разработали намного более простые методы вычислений, на каждом шаге совместимых с теорией относительности. Новая техника была использована для других вычислений, многие из которых оказались во впечатляющем согласии с опытом. Например, электрон создает в окружающем пространстве крохотное по величине магнитное поле. Это поле было первоначально вычислено в 1928 г. Дираком с помощью созданной им релятивистской квантовой теории электрона. Сразу же после конференции в Шелтер Айленде Швингер опубликовал результаты приближенных вычислений изменения величины напряженности магнитного поля электрона, связанного с процессами испускания и обратного поглощения виртуальных фотонов. С тех пор это вычисление неоднократно уточнялось^[43]. Современный результат состоит в том, что за счет процессов испускания и последующего поглощения фотонов и ряда других процессов магнитное поле электрона увеличивается в 1,00115965214 раз по сравнению со старым предсказанием Дирака, не учитывающим эти процессы (ошибка приведенного значения равна ±3 в последнем знаке). Как раз в то время, когда Швингер сделал свои вычисления, группа И. Раби в Колумбийском университете экспериментально установила, что магнитное поле электрона на самом деле несколько больше старого дираковского значения, причем на величину, предсказанную Швингером. Последний экспериментальный результат таков: магнитное поле электрона больше дираковского значения в 1,001159652188 раз (ошибка ±4 в последнем знаке). Такое количественное согласие теории и эксперимента является, вероятно, самым впечатляющим во всей современной науке. Неудивительно, что после таких успехов квантовая электродинамика в ее простейшей перенормируемой версии стала восприниматься как правильная теория фотонов и электронов. И все же, несмотря на экспериментальные подтверждения теории и даже несмотря на то, что все бесконечности в ней сокращались, если только правильно с ними обращаться, тот факт, что эти бесконечности вообще возникают, вызывал непрестанное ворчание по поводу применимости квантовой электродинамики и подобных теорий. В частности, Дирак всегда сравнивал процедуру перенормировки с заметанием мусора под ковер. Я не соглашался с Дираком и вел с ним дискуссии на конференциях в Корал Гейбл и Лейк Констанс. Учет разницы между голыми массой и зарядом и их измеряемыми значениями – это не просто трюк, позволяющий избавиться от бесконечностей. Подобную процедуру мы обязаны совершать и тогда, когда все величины конечны. Здесь нет ничего произвольного, берущегося с потолка, это просто вопрос корректного определения того, что же мы в действительности измеряем в лаборатории, когда пытаемся определить на опыте массу и заряд электрона. Я не видел ничего ужасного в бесконечных значениях голых массы и заряда^[44], если только окончательные результаты для физических величин оказываются конечными и однозначными, да еще и согласующимися с опытом. Мне казалось, что столь успешная теория, как квантовая электродинамика, должна быть более или менее правильной, хотя, возможно, и сформулированной не самым лучшим образом. Дирак оставался непоколебимым. Я до сих пор не согласен с его отношением к квантовой электродинамике, хотя не думаю, что он был просто упрямцем, требование, чтобы теория была полностью конечной, аналогично множеству других эстетических требований, которые всегда выдвигаются физиками‑теоретиками.

* * *

 

Мой третий рассказ посвящен развитию и окончательному признанию современной теории слабых ядерных сил. В повседневной жизни эти силы не так важны, как электрические, магнитные или гравитационные, но они играют существенную роль в цепочке ядерных реакций, за счет которых в сердцевинах звезд выделяется энергия и происходит образование различных химических элементов.

Впервые слабые ядерные силы обнаружились в явлении радиоактивности, открытом в 1896 г. Анри Беккерелем. В 1930‑е гг. стало понятно, что в том конкретном типе радиоактивности, который обнаружил Беккерель, а именно в бета‑распаде ядер, слабая ядерная сила заставляет нейтрон внутри ядра превращаться в протон, одновременно образуя электрон и еще одну частицу, известную сейчас как антинейтрино, которые вылетают из ядра. Подобный процесс не может происходить за счет сил других типов. Сильная ядерная сила, удерживающая протоны и нейтроны вместе внутри ядра, и электромагнитная сила, отталкивающая протоны внутри ядра друг от друга, не способны изменить тип этих частиц. Тем более это не может сделать гравитационная сила. Таким образом, наблюдение превращения нейтронов в протоны или протонов в нейтроны свидетельствует о новом типе сил в природе. Как следует из названия, слабые ядерные силы много слабее электромагнитных сил или сильных ядерных сил. Это вытекает, в частности, из того, что ядерный бета‑распад происходит очень медленно – самые быстрые из этих распадов происходят в среднем за одну сотую долю секунды, что невероятно медленно по сравнению с типичной длительностью процессов, вызванных сильными ядерными силами, составляющей величину порядка 10−23с.

В 1933 г. Энрико Ферми сделал первый важный шаг по пути построения теории этой новой силы. В предложенной Ферми теории слабая ядерная сила не действует на расстоянии, как гравитационная или электромагнитная силы, а превращает нейтрон в протон, одновременно создавая в той же точке пространства электрон и антинейтрино. Последовало четверть века усилий экспериментаторов, потраченных на то, чтобы связать концы с концами в теории Ферми. Главным невыясненным вопросом был вопрос о том, как слабая сила зависит от относительной ориентации спинов частиц, участвующих в процессе. В 1957 г. это было наконец установлено, и теория Ферми приняла окончательный вид^[45].

После решительного прорыва, совершенного в 1957 г., казалось, уже не осталось никаких проблем в нашем понимании слабой ядерной силы. И все же, хотя мы имели теорию, способную дать численный ответ для любого наблюдаемого на опыте явления, связанного со слабой силой, сама теория казалась физикам в высшей степени неудовлетворительной. Многие из нас в тяжких трудах пытались улучшить теорию и придать ей смысл.

Недостатки теории Ферми были связаны не с экспериментом, а с самой теорией. Прежде всего, хотя теория хорошо описывала ядерный бета‑распад, она приводила к бессмысленным результатам для более экзотических процессов. Теоретики пытались задавать совершенно осмысленные вопросы, например, какова вероятность рассеяния нейтрино при столкновении с электроном. Когда же они пытались вычислить эту вероятность (принимая во внимание испускание и последующее поглощение нейтрона и антипротона), ответ оказывался бесконечным. Как вы понимаете, сами подобные эксперименты еще не были проделаны, но вычисления давали такие результаты, которые никогда не могли бы быть согласованы с каким бы то ни было опытом. Как мы уже видели, в 1930‑е гг. подобные бесконечности были обнаружены Оппенгеймером и другими в теории электромагнитных сил, но в конце 1940‑х гг. теоретики обнаружили, что все эти бесконечности в квантовой электродинамике сокращаются при правильном определении или «перенормировке» массы и заряда электрона. Чем больше физики узнавали о свойствах слабых сил, тем яснее становилось, что бесконечности в теории Ферми подобным образом не сокращаются – теория была неперенормируемой.

Но была и другая трудность в теории слабых сил – она содержала слишком много произвольных параметров. Существенные характеристики слабой силы более или менее непосредственно извлекались из эксперимента и могли варьироваться в широких пределах без нарушения каких‑либо известных физических принципов.

В течение долгого времени, начиная со старших курсов университета, я так и сяк пытался работать над теорией слабых сил, но в 1967 г. меня увлекли проблемы сильных ядерных сил, удерживающих протоны и нейтроны внутри атомных ядер. Я пытался развить теорию сильного взаимодействия по аналогии с квантовой электродинамикой^[46]. Мне казалось, что различие между сильными ядерными силами и электромагнетизмом можно объяснить с помощью явления, известного под названием нарушение симметрии  (ниже я объясню, что это такое). Моя идея не сработала. Силы сильного взаимодействия в развитой мной теории были совершенно не похожи на те, которые известны нам из опыта. Но затем внезапно до меня дошло, что идеи, оказавшиеся совершенно непригодными для объяснения сильных взаимодействий, дают математическую основу теории слабой ядерной силы, содержащую все, что только можно пожелать. Я увидел возможность построения теории слабой силы, аналогичной квантовой электродинамике. Точно так же, как электромагнитная сила между зарядами, находящимися на расстоянии друг от друга, обусловлена обменом фотонами, так и слабая сила проявляет свое действие не в какой‑то одной точке пространства (как в теории Ферми), а порождается обменом фотоноподобными частицами между частицами материи, находящимися в разных точках. Эти новые фотоноподобные частицы не могут быть безмассовыми как фотоны (один из аргументов заключается в том, если бы они были безмассовыми, их бы давно обнаружили), но они вводятся в теорию способом, настолько похожим на тот, благодаря которому в квантовой электродинамике возникают фотоны, что я подумал: а не будет ли такая теория перенормируемой в том же смысле, что и квантовая электродинамика, т.е. не сократятся ли все бесконечности за счет переопределения масс и других параметров теории. Кроме того, вид теории сильно зависел от положенных в основу принципов, поэтому можно было в значительной степени избежать того произвола, который существовал в предыдущих теориях.

Мне удалось построить конкретный вариант подобной теории, т.е. написать определенную систему уравнений, определяющих закон взаимодействия частиц друг с другом и сводящихся в приближении малых энергий к теории Ферми. Хотя вначале у меня и в мыслях не было ничего подобного, но в процессе работы я обнаружил, что построенная мной теория оказалась не просто теорией слабой силы, развитой на базе аналогии с электромагнетизмом; эта теория оказалась единой теорией электромагнитных и слабых сил, которые, как выяснилось, суть две разные ипостаси одной и той же силы, которую сейчас принято называть электрослабой  силой. Фундаментальная частица фотон, испускание и поглощение которого порождает электромагнитные силы, оказался тесными узами связан в одно семейство с другими фотоноподобными частицами, существование которых предсказывала теория: электрически заряженными частицами W , обмен которыми порождает силы, ответственные за бета‑радиоактивность, и нейтральной частицей Z , о которой я расскажу чуть ниже. (Частицы W  давно фигурировали в разных теориях, пытавшихся объяснить слабые силы; само обозначение W  происходит от слова weak  – слабый. Я выбрал для обозначения нейтральной частицы букву Z , так как эта частица имеет нулевой (zero ) электрический заряд, и, кроме того, потому что Z  – последняя буква в английском алфавите, а я надеялся, что эта частица будет последней в семействе). По существу, такую же теорию независимо построил в 1968 г. пакистанский физик Абдус Салам, работавший тогда в Триесте. Некоторые аспекты этой теории рассматривались в работе Салама и Джона Уорда и еще раньше в работе моего товарища по колледжу и Корнеллскому университету Шелдона Глэшоу.

Таким образом, похоже, удалось объединить слабые и электромагнитные силы. Любому хочется объяснить все больше и больше вещей с помощью все меньшего числа идей, хотя, повторю еще раз, я совершенно не понимал, куда идет дело, когда начинал свои исследования. Но при всем при этом в 1967 г. предложенная теория не давала никаких объяснений ни одной экспериментальной аномалии в физике слабых сил. Не существовало экспериментальной информации, которую могла бы объяснить эта теория, и которая ранее не была бы объяснена в рамках теории Ферми. Поэтому сначала новая теория электрослабых сил не вызвала никакого интереса. Но я не думаю, что теория не заинтересовала других физиков только потому, что не имела экспериментальной поддержки. Не менее важным был чисто теоретический вопрос о внутренней согласованности теории.

И Салам, и я высказали убеждение, что теория устранит проблемы бесконечностей при расчете процессов, обусловленных слабыми силами. Но у нас не хватило сообразительности это доказать. В 1971 г. я получил препринт работы молодого студента‑старшекурсника Утрехтского университета по имени Герард ’т Хофт, в которой он утверждал, что наша теория действительно разрешила проблемы бесконечностей: при вычислении наблюдаемых величин эти бесконечности действительно сокращали друг друга, в точности так же, как в квантовой электродинамике.

Сначала работа ’т Хофта меня не убедила. Я никогда не слышал о нем, а разработанный Фейнманом математический прием, использованный в работе, незадолго до этого был мною подвергнут сомнению. Вскоре, однако, я услышал, что теоретик Бен Ли серьезно отнесся к идеям ’т Хофта и попытался получить те же результаты, используя более привычные математические методы. Я знал Бена Ли и очень его уважал – раз уж он счел, что в работе ’т Хофта что‑то есть, я не должен ею пренебрегать. (Позднее Бен стал моим лучшим другом и сотрудником. Он трагически погиб в автомобильной катастрофе в 1977 г.) Более внимательно посмотрев на то, что сделал ’т Хофт, я убедился, что он действительно нашел ключ к доказательству сокращения всех бесконечностей.

Хотя все еще не существовало ни малейших экспериментальных свидетельств в пользу электрослабой теории, но именно после работы ’т Хофта она стала частью рабочего аппарата физики. Это как раз тот случай, когда можно с достаточной точностью описать уровень интереса к научной теории. Так случилось, что Институт научной информации опубликовал данные по количеству цитирований моей первой работы по электрослабой теории, как пример того, насколько анализ цитирований может быть полезен при изучении истории науки. Моя статья была опубликована в 1967 г. В том году количество ссылок на нее равнялось нулю^[47]. В период 1968–1969 гг. количество ссылок опять равнялось нулю. (В это время и Салам, и я пытались доказать то, что в конце концов удалось ’т Хофту, т.е. что теория свободна от бесконечностей.) В 1970 г. на работу сослались один раз. (Я не знаю, кто это сделал.) В 1971 г., т.е. в том году, когда была сделана работа ’т Хофта, появилось три ссылки, одна из которых принадлежала ’т Хофту. В 1972 г., все еще не имея никакой поддержки со стороны эксперимента, работа внезапно получила 65 ссылок. В 1973 г. число ссылок составило 165, затем это число постепенно возрастало, пока в 1980 г. не составило 330 ссылок. Недавнее исследование того же института показало, что моя работа оказалась самой цитируемой работой по физике элементарных частиц за все предыдущие пятьдесят лет^[48].

Открытие, из‑за которого физики с самого начала проявили интерес к этой теории, состояло в том, что она решает внутреннюю концептуальную проблему физики частиц – проблему бесконечностей в теории слабых ядерных сил. Ни в 1971, ни в 1972 г. не было ни малейших экспериментальных свидетельств, что эта теория лучше старой теории Ферми.

Затем начали накапливаться и экспериментальные подтверждения. Обмен частицей Z  должен был породить новый тип слабых ядерных сил, получивших название слабых нейтральных токов , которые должны были проявиться при рассеянии пучков нейтрино на ядрах обычных атомов. (Термин «нейтральный ток» используется потому, что в этих процессах не происходит обмена электрическим зарядом между ядром и другими частицами.) Эксперименты по обнаружению таких процессов рассеяния нейтрино были подготовлены в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных исследований) и в лаборатории им. Ферми (Фермилабе) под Чикаго. Требовались значительные финансовые вложения. Каждый эксперимент требовал для своего осуществления труда тридцати–сорока физиков. Подобные опыты не делаются так запросто, если у вас нет ясного понимания того, что вы собираетесь обнаружить. В 1973 г. в ЦЕРНе объявили об открытии слабых нейтральных токов. Вскоре об этом же объявили в Фермилабе. После 1974 г., когда в Фермилабе и ЦЕРНе пришли к согласию относительно результатов экспериментов, научное сообщество пришло к убеждению в справедливости электрослабой теории. Шведская газета Дагенс Нюхетер  даже объявила в 1975 г., что Салам и я должны получить в этом году Нобелевскую премию по физике (на самом деле этого не случилось).

Кто‑то может спросить, почему признание электрослабой теории было столь быстрым и всеобъемлющим. Конечно, сыграло роль то, что слабые нейтральные токи были предсказаны и затем обнаружены. Разве не это есть тот способ, с помощью которого и устанавливается справедливость какой‑то теории? Думаю, что все не так просто.

Прежде всего, нейтральные токи не были чем‑то совершенно новым для теории слабых сил. Как‑то мне удалось проследить развитие идеи нейтральных токов назад во времени до статьи Георгия Гамова и Эдварда Теллера, которые с помощью вполне разумных доводов предсказали в 1937 г. существование слабых нейтральных токов. Более того, еще в 1960‑е гг. имелись экспериментальные свидетельства нейтральных токов, но в них никто не верил: сами экспериментаторы, обнаружившие эти свидетельства, всегда относились к ним, как к «фону». То новое, что появилось в 1973 г. и было очень важно для экспериментаторов, это предсказание, что значения интенсивности нейтральных токов находятся в определенном интервале. Например, в одном типе нейтринных реакций вклад нейтральных токов мог составлять от 15 до 25 % от вклада обычных слабых сил. Такое предсказание позволяло определить чувствительность, необходимую при экспериментальном поиске таких сил. И все же перелом, произошедший в 1973 г., был связан с тем, что теория приобрела несомненные черты внутренней согласованности и жесткости. Это заставило физиков признать, что прогресс в их собственной научной работе связан с признанием правильности теории, а не в ожидании того, что из всего этого получится.

В определенном смысле электрослабая теория получила экспериментальную поддержку до открытия нейтральных токов, так как она правильно воспроизвела все свойства слабых сил, ранее объясненные теорией Ферми, равно как и все свойства электромагнитных сил, которые успешно описывала квантовая электродинамика. Здесь вновь, как и в случае с общей теорией относительности, можно спросить, почему воспроизведение результатов, уже полученных более ранними теориями, рассматривается как успех? Теория Ферми объяснила свойства слабых сил с помощью некоторого числа произвольных гипотез, произвольных в том же смысле, что и закон обратных квадратов для ньютоновской теории тяготения. Электрослабая теория объяснила эти гипотезы (например, зависимость слабых сил от спинов участвующих во взаимодействии частиц) значительно более неотразимым образом. Но в такого рода оценках невозможно быть точным: это дело вкуса и опыта.

Неожиданно в 1976 г., через три года после открытия нейтральных токов, возник кризис. Уже не было никаких сомнений относительно существования нейтральных токов, но эксперименты, проделанные в 1976 г., указывали, что некоторые их свойства не соответствуют предсказаниям теории. Отклонения проявились в экспериментах, выполненных независимо в Сиэттле и Оксфорде и связанных с изучением распространения поляризованного света сквозь пары висмута. Еще со времени работы Жана‑Батиста Био в 1815 г. было известно, что поляризованный свет, проходя через растворы некоторых сахаров, испытывает вращение плоскости поляризации либо в правую, либо в левую сторону. Например, при прохождении через раствор обычного сахара глюкозы‑R, плоскость поляризации света поворачивается направо, а при прохождении через раствор глюкозы‑L – налево. Происходит это потому, что молекула глюкозы‑R не совпадает со своим зеркальным отражением, молекулой глюкозы‑L, точно так же, как перчатка на левую руку отличается от перчатки на правую руку (в то же время шляпа или галстук и их зеркальные отражения выглядят одинаково). Казалось бы, при прохождении поляризованного света через газ, состоящий из отдельных атомов веществ типа висмута, не должно происходить такого вращения плоскости поляризации. Однако электрослабая теория предсказывает асимметрию между правым и левым в слабых взаимодействиях электронов с атомными ядрами, обусловленных обменом Z ‑частицей, что придает таким атомам свойства, похожие на свойства перчатки или молекулы сахара при отражении в зеркале. (Ожидалось, что эффект будет особенно велик для атомов висмута из‑за специфики строения их энергетических уровней.) Расчеты показывали, что лево‑правая асимметрия в атоме висмута должна приводить к медленному вращению плоскости поляризации проходящего через пары висмута света в левую сторону. К своему удивлению, экспериментаторы в Оксфорде и Сиэттле не смогли обнаружить такое вращение и сообщили, что если оно и существует, то скорость вращения должна быть намного меньше, чем предсказывает теория.

Это поистине напоминало взрыв бомбы. Казалось, что эксперименты свидетельствовали, что та конкретная версия теории, которую независимо разработали в 1967–1968 гг. Салам и я, оказалась неверной в деталях. Но я не был готов отказаться от общих идей электрослабой теории. Еще начиная с появления работы ’т Хофта в 1971 г., я был совершенно убежден в правильности основных положений теории, а ту версию, которую построили Салам и я, рассматривал как одну из конкретных простых реализаций. Например, могли быть и другие члены в семействе частиц, образованном фотоном и частицами W  и Z , или другие частицы, связанные с электроном и нейтрино. Еще задолго до этой истории Пьер Дюгем и У. ван Куин отмечали, что никакая научная теория не может быть полностью отвергнута сравнением с экспериментальными данными, так как всегда есть возможность таких манипуляций с теорией или введения таких дополнительных предположений, которые приведут к согласию теории и эксперимента. Просто в какой‑то момент исследователь должен решить, не являются ли те дополнения, которые необходимо ввести, чтобы избежать конфликта с опытом, слишком уродливыми, чтобы в них можно было поверить.

Действительно, после экспериментов в Сиэттле и Оксфорде многие теоретики стали пытаться придумать небольшие модификации электрослабой теории, которые объясняли бы, почему силы, порождаемые нейтральными токами, не приводят к ожидаемой величине асимметрии между правым и левым. Поначалу мы думали, что можно чуть‑чуть изуродовать теорию, но при этом добиться согласия со всеми имеющимися данными. Вспоминаю, что как раз в это время Бен Ли прилетел в Пало Альто, где я тогда работал, и я отменил давно запланированную поездку в Иосемиту, чтобы поработать с ним и попытаться модифицировать электрослабую теорию таким образом, чтобы удовлетворить всем экспериментальным данным (в том числе и снять некоторые разногласия между теорией в данными по реакциям с нейтрино высоких энергий). Но ничто, похоже, не помогало.

Одна из проблем заключалась в том, что к этому времени уже имелось большое количество данных, полученных в ЦЕРНе и Фермилабе, относительно рассеяния нейтрино при соударении с протонами и нейтронами, причем практически все они подтверждали первоначальную версию электрослабой теории. Было очень трудно понять, каким образом какая‑то другая теория могла бы так же естественно согласовываться с этими данными, заодно согласуясь и с данными по висмуту, т.е. как можно было избежать сильных усложнений, специально подогнанных так, чтобы согласовать теорию с данными всех экспериментов. Чуть позже в Гарварде Говард Джорджи и я высказали общие аргументы в пользу того, что не существует естественного способа так изменить электрослабую теорию, чтобы она согласовывалась и с данными Оксфорда и Сиэттла, и с более ранними данными по нейтринным реакциям. Конечно, это не остановило некоторых теоретиков от попыток построить весьма неестественные теории (такую деятельность в бостонских научных кругах называли половым извращением), что соответствовало древнейшему закону прогресса в науке, согласно которому лучше делать что‑нибудь, чем ничего не делать.

Затем в 1978 г. в Стэнфорде был проделан новый эксперимент, в котором слабая сила между электроном и атомным ядром измерялась совершенно иначе, используя не электроны в атомах висмута, а рассеивание пучка электронов больших энергий, полученных на Стэнфордском ускорителе на ядрах дейтерия. (Выбор дейтерия в качестве мишени был вызван не какими‑то особыми причинами, а просто тем, что это удобный источник и протонов, и нейтронов.) Теперь уже экспериментаторы обнаружили ожидаемую асимметрию между правым и левым. В этом опыте асимметрия проявлялась в разнице скорости рассеяния электронов, вращающихся направо и налево. (Мы говорим, что движущаяся частица вращается направо или налево, если сжатые в кулак пальцы на, соответственно, правой или на левой руке показывают направление вращения, в то время как большой палец направлен в сторону движения частицы.) Измеренная относительная разница в скоростях рассеяния составляла одну десятитысячную, что как раз совпадало с предсказанием теории.

Внезапно физики, занимающиеся частицами, во всем мире пришли к выводу, что первоначальная версия электрослабой теории, несмотря ни на что, верна. Но заметьте, что все еще были два экспериментальных результата, которые противоречили предсказаниям теории относительно величины слабого взаимодействия нейтральных токов между электроном и ядром, и лишь один эксперимент, подтверждавший эти предсказания, правда в несколько ином контексте. Почему же тогда, как только появился эксперимент, подтверждавший электрослабую теорию, все физики согласились с тем, что теория должна быть верна? Безусловно, одна из причин заключалась в том, что мы все были убеждены, что не хотим иметь дело с любой неестественной версией первоначальной электрослабой теории. Эстетический критерий естественности был использован для того, чтобы помочь физикам оценить значимость противоречащих друг другу экспериментальных данных.

Экспериментальная проверка электрослабой теории продолжалась. Эксперимент в Стэнфорде не был повторен, но несколько научных групп физиков‑атомщиков занялись поиском лево‑правой асимметрии не только у висмута, но и у других атомов вроде таллия и цезия. (Еще до стэнфордского эксперимента группа физиков из Новосибирска сообщила о наблюдении ожидавшейся асимметрии в висмуте, но, к сожалению, мало кто обратил внимание на это сообщение до появления результатов в Стэнфорде, отчасти из‑за не очень высокой репутации на Западе советских физиков в отношении точности экспериментов.) Были проделаны новые эксперименты в Беркли и Париже, физики Сиэттла и Оксфорда повторили свои опыты^[49] Сейчас существует полное согласие между всеми экспериментаторами, как и между теоретиками, что предсказываемая лево‑правая асимметрия действительно имеет место как в атомах, так и при рассеянии электронов больших энергий на Стэнфордском ускорителе, причем величина эффекта соответствует ожидаемой. Но наиболее впечатляющим тестом электрослабой теории безусловно были опыты группы в ЦЕРНе, возглавлявшейся Карло Руббиа. В 1983 г. они открыли частицы W , в 1984 г. – частицы Z , т.e. те частицы, существование и свойства которых были правильно предсказаны электрослабой теорией в ее первоначальной версии.

Оглядываясь назад на эти события, я испытываю некоторое разочарование, что потратил столько времени, пытаясь заставить электрослабую теорию согласовываться с данными Оксфорда и Сиэттла. В 1977 г. надо было мне поехать в Иосемиту, как я и собирался; кстати, я так там и не побывал до сих пор. Вся эта история хорошо иллюстрирует полушутливое замечание, приписываемое Эддингтону: не следует верить ни одному экспериментальному результату пока он не подтвержден теорией.

Я совсем не хочу создавать у читателей впечатления, что эксперимент и теория всегда влияют друг на друга именно так, и что таким способом достигается прогресс в науке. Подчеркивая важность теории, я хочу лишь возразить широко распространенной точке зрения, которая кажется мне чрезмерно эмпирической. На самом деле можно вспомнить историю важнейших экспериментов в физике и обнаружить, что их роль была очень разной, точно так же, как очень по‑разному взаимодействовали эксперимент и теория. Похоже, что любое ваше высказывание о том, как могут  взаимодействовать теория и эксперимент, окажется правильным, а любое утверждение о том, как они должны  взаимодействовать, будет, скорее всего, неверным.

Поиск сил, порождаемых нейтральными слабыми токами, в ЦЕРНе и Фермилабе есть пример определенного типа экспериментов, осуществляемых с целью проверки пока что не общепринятых теоретических идей. Иногда такие эксперименты подтверждают, а иногда и опровергают идеи теоретиков. Несколько лет тому назад Фрэнк Вильчек и я независимо предсказали существование частицы нового типа^[50]. Мы согласились назвать эту частицу аксион , понятия не имея о том, что так же называется сорт стирального порошка. Экспериментаторы стали искать аксион и не нашли, по крайней мере с теми свойствами, которые мы предсказывали. Идея либо неправильна, либо нуждается в модификации^[51]. Однажды я получил сообщение от группы физиков, собравшихся на конференции в Аспене, гласившее: «Мы его нашли!» , но это послание было прикреплено к коробке со стиральным порошком.

Но бывают и эксперименты, результаты которых являются для всех полной неожиданностью, которую не предвидел ни один теоретик. К этой категории относятся опыты, в которых были обнаружены рентгеновские лучи, так называемые странные частицы, или, в конце концов, наблюдение аномальной прецессии орбиты Меркурия. Думаю, что именно эти эксперименты наполняют радостью сердца экспериментаторов и журналистов.

Но также есть и эксперименты, являющиеся для нас почти  полной неожиданностью, – в них обнаруживаются эффекты, обсуждавшиеся как одна из возможностей, но только как логическая возможность, для реализации которой нет убедительных причин. Сюда относятся эксперименты, обнаружившие нарушение так называемой симметрии по отношению к обращению времени, и эксперименты, обнаружившие некоторые новые частицы вроде b ‑кварка или похожего на очень тяжелый электрон тау‑лептона.

Еще один интересный класс экспериментов – это опыты, в которых обнаруживаются эффекты, предсказанные теоретиками, но само открытие этих эффектов происходит тем не менее совершенно случайно, так как экспериментаторы ничего не знали о предсказании либо потому, что у теоретиков не хватало веры в свою теорию, чтобы разрекламировать ее перед экспериментаторами, либо потому, что каналы научной информации слишком забиты шумом. Среди таких экспериментов – открытие универсального фона радиоизлучения^[52], оставшегося от Большого взрыва, и открытие позитрона.

Затем есть эксперименты, которые проводят, даже зная результат, даже несмотря на то, что теоретические предсказания так прочны, что в теории никто серьезно не сомневается. Проводятся такие эксперименты потому что сами явления настолько привлекательны и сулят столько возможностей дальнейших экспериментов, что ученые просто обязаны идти вперед и изучать эти вещи. В эту категорию я бы включил открытие антипротона и нейтрино и сравнительно недавнее открытие частиц W  и Z . Сюда же относятся поиски разных экзотических эффектов, предсказываемых общей теорией относительности, вроде гравитационного излучения.

Наконец, можно вообразить категорию экспериментов, которые опровергают  давно принятые теории, ставшие частью стандартного физического мировоззрения. Я не могу поместить в эту категорию ни одного опыта за последние сто лет.  Конечно, можно привести примеры, когда выяснялось, что теории имеют более узкую область применимости, чем считалось до этого. Ньютоновская теория движения неприменима при больших скоростях. Четность, симметрия между правым и левым, нарушается в слабых взаимодействиях. И так далее. Но в ХХ в. не было такого случая, чтобы теория, принятая мировым физическим сообществом как правильная, вдруг оказывалась просто ошибкой , как это в свое время случилось с птолемеевской теорией эпициклов, придуманной для объяснения движения планет, или с теорией, что теплота есть калорическая жидкость. Однако в ХХ в., как мы видели в случаях общей теории относительности и электрослабой теории, признание физических теорий часто достигалось на основе эстетических суждений, прежде чем появлялись по‑настоящему убедительные экспериментальные свидетельства в их пользу. В этом я вижу проявление необычайной мощи чувства прекрасного, свойственного физикам, которое подкрепляет, а иногда даже перевешивает экспериментальные свидетельства.

Судя по тому, что я рассказал, читатель может прийти к выводу, что прогресс в научных открытиях и подтверждение теорий – очень запутанное дело. В связи с этим есть хорошая параллель между военной историей и историей науки. В обоих случаях комментаторы пытаются найти систематические законы того, как максимизировать чьи‑то шансы на успех, неважно, идет ли речь о войне или о науке. Возможно, это происходит, потому что в военной истории и истории науки в значительно большей степени, чем в политической, экономической или культурной истории, ясна граница между победой и поражением. Можно бесконечно спорить о причинах и последствиях Гражданской войны в Америке, но нет ни малейших сомнений в том, что при Геттисберге армия Мида разбила армию Ли. Точно так же нет сомнений в том, что точка зрения Коперника на устройство Солнечной системы лучше, чем точка зрения Птолемея, а взгляды Дарвина на эволюцию лучше взглядов Ламарка.

Даже не пытаясь сформулировать, что значит наука войны, военные историки часто пишут о генералах так, будто они проигрывали битвы, потому что не следовали каким‑то хорошо известным правилам военной науки^[53]. Например, довольно широко распространено пренебрежительное отношение к двум генералам армии конфедератов в Гражданской войне – Джорджу Макклеллану и Амброзу Бернсайду. Макклеллана обвиняют в том, что он не хотел идти на столкновение с вражеской армией Ли в Северной Вирджинии. Бернсайда, в свою очередь, ругают за то, что он ни в грош не ставил жизни своих солдат, безуспешно пытаясь атаковать хорошо укрепленные позиции врага под Фредериксбургом. От внимания читателя не ускользнет, что Макклеллана критикуют за то, что он не действовал как Бернсайд, а Бернсайда – за то, что он не действовал, как Макклеллан. И тот и другой были глубоко бездарными генералами, но не потому, что они не сумели выполнить установленные правила военной науки.

На самом деле лучшие военные историки давно отметили трудности в установлении правил поведения генералов. Речь идет не о военной науке, а скорее о характере военного поведения, которому нельзя научить и которое трудно сформулировать, но которое где‑то и когда‑то помогает выигрывать битвы. Это называется словами искусство войны ^[54]. Точно так же я полагаю, что не надо возлагать надежды на науку о науке, на формулировку определенных правил того, как ведут себя или должны вести себя ученые. Я стремлюсь лишь к описанию того типа поведения, который исторически приводил к научному прогрессу. Я рассказываю об искусстве науки.

Глава VI. Красивые теории

 

Спеша за облачком или цветком,

 

Душа приют недолгий обретает,

 

Пред ней в сиянии неба голубом

 

Тень вечности, мелькая, исчезает.

 

Генри Воон. Приют

 

В 1974 г. Поль Дирак приехал в Гарвард, чтобы рассказать о своей исторической работе, ставшей одной из основ современной квантовой электродинамики. В конце своего выступления Дирак обратился к старшекурсникам и посоветовал им больше думать о красоте тех уравнений, которые они исследуют, а не об их смысле. Это был не самый лучший совет для студентов, но поиск красоты в физике^[55] красной нитью проходит через все работы Дирака, да и вообще составляет важную страницу истории физики.

Небольшой разговор о важности красоты в науке не должен рассматриваться как пустая болтовня. Я совсем не собираюсь использовать эту главу для очередных словоизвержений по поводу красоты вообще. Моя цель – более подробно рассмотреть происхождение красоты физических теорий или вопрос о том, почему наше чувство прекрасного иногда оказывается полезным, а иногда изменяет нам и почему плодотворное использование этого чувства есть знак нашего продвижения к окончательной теории.

Физик, заявляющий, что теория красива, имеет в виду не совсем то, что подразумевается, когда говорят, что красива какая‑то картина, музыкальное произведение или стихотворение. Это утверждение не является просто личным выражением полученного эстетического наслаждения, скорее, это ближе к тому, что имеет в виду тренер лошадей, когда он глядит на скаковую лошадь и говорит, что она красива. Конечно, тренер выражает свое личное мнение, но это есть мнение по поводу объективного факта: основываясь на суждениях, которые тренеру иногда трудно выразить словами, он утверждает, что эта лошадь относится к породе тех, которые выигрывают скачки.

Конечно, разные тренеры могут по‑разному оценивать качества лошадей. Именно на этом и держатся лошадиные скачки. Но эстетическое чувство тренеров есть средство для объективного вывода – отбора лошадей для участия в скачках. Предполагается, что чувство прекрасного у физиков служит аналогичной цели – оно помогает отобрать идеи, позволяющие объяснить устройство природы. Физики, как и тренеры лошадей, могут быть правы или ошибаться в своих суждениях, но они не просто забавляются этой игрой. Конечно, часто бывает и такое, но все же это не единственная цель их эстетических суждений.

Такое сравнение вызывает больше вопросов, чем дает ответов. Во‑первых, что такое  красивая теория? Каковы те характеристики физических теорий, которые вызывают у нас ощущение красоты? Более трудный вопрос: почему срабатывает ощущение красоты у физиков? Истории, рассказанные в предыдущей главе, продемонстрировали, что такое личное и субъективное чувство, как наше ощущение красоты, помогает не только развивать физические теории, но и судить об их справедливости. Почему мы обладаем таким даром эстетической оценки? Попытка ответить на этот вопрос вызывает к жизни еще более трудный вопрос, хотя он, возможно, и звучит тривиально: а чего собственно хотят добиться физики?

Что такое красивая теория? Работник одного большого американского музея однажды очень рассердился на то, что я употребил слово «красота» в разговоре о физике. Он сказал, что профессионалы в его области перестали употреблять это слово, так как поняли, насколько трудно определить его смысл. Очень давно физик и математик Анри Пуанкаре признал: «Очень трудно определить понятие математической красоты, но это же относится и к любому другому типу красоты».

Я не собираюсь пытаться определить, что такое красота, так же как не взялся бы определять понятия любви или страха. Такие вещи не определяются; просто, когда вы их чувствуете, вы знаете, о чем идет речь. Позднее, после того, как эти чувства испытаны вы можете иногда их как‑то описать словами, что я и попытаюсь сделать.

Под красотой физической теории я, безусловно, не имею в виду механическую красоту расположения математических символов на печатном листе. Поэт‑метафизик Томас Траерн специально заботился о том, чтобы слова его поэм образовывали на листе бумаги красивый узор^[56]. Но к физике эти игры не относятся. Я также хотел бы отделить тот тип красоты, который я имею в виду, от качества, которое математики и физики иногда называют элегантностью. Доказательство или вычисление элегантно, если с его помощью достигается мощный результат при минимальном количестве не имеющих отношения к делу усложнений. Для красивой теории совершенно не обязательно, чтобы ее уравнения имели элегантные решения. Уравнения общей теории относительности невероятно трудно решить за исключением простейших ситуаций, но это ни в коей мере не противоречит красоте самой теории. Эйнштейн говорил, что ученые должны оставить элегантность для портных.

Частью того, что я называю красотой, является простота, но простота идей, а не механическая простота, которую можно оценить, подсчитав число уравнений или символов. Теории тяготения Ньютона и Эйнштейна содержат уравнения, определяющие гравитационные силы, создаваемые любым заданным количеством вещества. В ньютоновской теории таких уравнений три (что соответствует трехмерности нашего пространства), в теории Эйнштейна их четырнадцать^[57]. Само по себе это не может считаться эстетическим преимуществом ньютоновской теории перед эйнштейновской. На самом деле именно теория Эйнштейна более красива, отчасти из‑за простоты ее главной идеи об эквивалентности тяготения и инерции. В этом сходятся все ученые и, как мы видели, во многом благодаря такой оценке теория Эйнштейна получила быстрое признание.

Есть и другое качество, кроме простоты, делающее физическую теорию красивой – это ощущение неизбежности, которую нам внушает теория. Слушая музыкальное произведение или читая сонет, вы иногда получаете огромное эстетическое наслаждение от ощущения, что в этом произведении ничего нельзя изменить, что ни одна нота и ни одно слово не должны быть иными. В «Святом семействе» Рафаэля расположение каждой фигуры совершенно. Может быть, это не самая любимая ваша картина, но когда вы на нее смотрите, у вас не возникает желания, чтобы что‑то было написано иначе. Это же частично верно (и никогда не более, чем частично верно) и в отношении общей теории относительности. Если вам известны общие физические принципы, принятые Эйнштейном, вы понимаете, что не существует другой существенно отличающейся теории тяготения, к которой он мог бы прийти. Как писал сам Эйнштейн об общей теории относительности, «главной привлекательной чертой теории является ее логическая полнота. Если хоть один из ее выводов окажется неверным, теорию следует отвергнуть; похоже, что подправить ее, не разрушив всю структуру, невозможно»^[58].

Это менее верно для теории Ньютона. Ньютон вполне мог предположить, что гравитационная сила уменьшается обратно пропорционально кубу, а не квадрату расстояния, если бы только это соответствовало требованиям астрономических данных, но Эйнштейн не мог включить в свою теорию закон обратных кубов, не разрушив ее концептуальную основу. Поэтому четырнадцать уравнений Эйнштейна неизбежны и, следовательно, красивы, чего нет в трех уравнениях Ньютона. Думаю, что именно это имел в виду Эйнштейн, когда говорил, что левая часть уравнений тяготения в общей теории относительности, содержащая гравитационное поле, красива и как будто вырезана из мрамора, в то время как правая часть уравнений, описывающая материю, все еще уродлива, будто сделана из обыкновенной деревяшки. Все дело в том, что способ включения гравитационного поля в уравнения Эйнштейна почти неизбежен, но в общей теории относительности нет ничего, что объясняло бы, почему материя входит в уравнения именно в таком, а не ином виде.

То же ощущение неизбежности возникает (опять же, только частично) при рассмотрении современной стандартной модели сильных и электрослабых сил, действующих между элементарными частицами. Одно общее свойство придает общей теории относительности и стандартной модели черты неизбежности и простоты: и та, и другая теории подчиняются принципам симметрии .

Принцип симметрии – это просто утверждение, что нечто выглядит одинаково с некоторых разных точек зрения. Из всех подобных симметрий простейшей является приближенная двусторонняя симметрия человеческого лица. Так как две стороны вашего лица мало отличаются, то оно выглядит одинаково, если посмотреть на него непосредственно, или поменять местами левую и правую сторону, как это происходит, когда вы глядите в зеркало. Стандартный прием в кино – дать зрителям внезапно понять, что лицо актера, на которое вы смотрели, на самом деле было видно в зеркале; впечатление было бы испорчено, если бы у людей, как у камбалы, оба глаза были бы на одной стороне лица, причем всегда на одной и той же.

Некоторые вещи обладают более расширенной симметрией, чем человеческое лицо. Куб выглядит одинаково, если смотреть на него с шести разных направлений, попарно взаимно перпендикулярных друг другу, а также, если поменять местами правое и левое. Идеальные кристаллы выглядят одинаково, не только если смотреть на них с разных направлений, но и если перемещаться внутри кристалла в определенных направлениях на заданное расстояние. Сфера выглядит одинаково, если смотреть на нее с любого направления. Пустое пространство выглядит одинаково со всех точек и вдоль всех направлений.

Подобные симметрии интересовали и развлекали художников и ученых в течение многих веков, но в науке эти симметрии не играли особой роли. Мы знаем многое о соли, и тот факт, что соль – это кубический кристалл, выглядящий одинаково с шести различных точек зрения, не относится к числу самых важных ее свойств. Нет сомнений и в том, что двусторонняя симметрия – не самое интересное, что можно сказать о человеческом лице. Те симметрии в природе, которые действительно важны, это симметрии не вещей , а законов .

Симметрия законов природы – это утверждение, что при определенном изменении точки зрения, с которой наблюдаются естественные явления, обнаруженные при этом законы природы не меняются.

Такие симметрии часто называют принципами инвариантности . Например, открытые нами законы природы не меняют свою форму при изменении ориентации наших лабораторий; нет разницы в том, измеряем ли мы расстояния по направлению к северу, северо‑востоку, вверх или в любом другом направлении. Древним и средневековым философам и ученым это не было очевидно; ведь в повседневной жизни имеется явная разница между направлениями вверх, вниз и по горизонтали. Только после зарождения современной науки в XVII в. стало ясно, что низ отличается от верха или направления к северу только потому, что под нами есть большая масса, Земля, а не потому, что (как думал Аристотель) низ и верх являются естественными вместилищами тяжелых и легких вещей, соответственно. Обратите внимание, что эта симметрия не утверждает, что верх и низ одинаковы; наблюдатели, измеряющие расстояния вниз и вверх от поверхности Земли, по‑разному описывают события вроде падения яблока, но при этом обнаруживают одни и те же законы, подобные закону притяжения яблока большой массой Земли.

Законы природы выглядят одинаково, где бы ни находились наши лаборатории; на результатах экспериментов не может сказываться то, где проводятся опыты, – в Техасе, в Швейцарии или на какой‑нибудь планете с другой стороны нашей Галактики. Законы природы не меняют своего вида, как бы мы не установили часы: нет никакой разницы, начнем ли мы отсчитывать время от начала первой Олимпиады, от Рождества Христова или от момента рождения Вселенной. Это отнюдь не означает, что с течением времени ничто не меняется, или что Техас это то же самое, что Швейцария. Утверждение заключается в том, что законы, обнаруженные в разные моменты времени и в разных местах, одинаковы. Если бы таких симметрий не было, все научные данные нужно было бы переделывать в каждой новой лаборатории и в каждый момент времени.

Любой принцип симметрии в то же самое время есть и принцип простоты. Если бы законы природы различали направления вверх, вниз или на север, то в уравнения, описывающие эти законы, пришлось бы ввести какие‑то дополнения, позволяющие проследить за ориентацией наших лабораторий. Соответственно, сами уравнения стали бы заведомо более сложными. На самом деле даже та система обозначений, которую используют математики и физики, для того чтобы уравнения выглядели как можно проще и компактнее, основана на предположении, что все направления в пространстве эквивалентны.

Эти симметрии необычайно важны в классической физике, но их значение еще больше возрастает в квантовой механике. Рассмотрим, что отличает один электрон от другого? Только его энергия, импульс и спин; если не считать этих свойств, каждый электрон во Вселенной похож на любой другой. Все эти свойства электрона характеризуют то, каким образом его квантово‑механическая волновая функция откликается на преобразования симметрии, а именно на изменения установки часов, местоположения или ориентации нашей лаборатории^[59]. Таким образом, вещество теряет свою главенствующую роль в физике: все, что остается, – это принципы симметрии и разные способы преобразования волновых функций под действием преобразований симметрии.

Существуют и менее очевидные преобразования пространства‑времени, чем простые трансляции и вращения. Законы природы не меняют своей формы для наблюдателей, движущихся с различными постоянными скоростями: нет разницы, проводим ли мы эксперимент здесь, в Солнечной системе, крутящейся вокруг центра Галактики со скоростью в несколько сотен километров в секунду, или в далекой галактике, удаляющейся от нас со скоростью в десятки тысяч километров в секунду. Этот принцип симметрии часто называют принципом относительности. Широко распространено мнение, что он был сформулирован Эйнштейном, однако уже в ньютоновской механике был свой принцип относительности. Разница между ними только в том, как скорость движения наблюдателя влияет на наблюдение положений и моментов времени в обоих теориях. Но Ньютон просто постулировал свой принцип относительности; что же касается Эйнштейна, то он явно сформулировал его так, чтобы он был совместим с тем экспериментальным фактом, что скорость света не зависит от скорости движения наблюдателя. В этом смысле упор на симметрию как на вопрос, относящийся к физике, в работе Эйнштейна 1905 г. по специальной теории относительности ознаменовал начало современного отношения к роли принципов симметрии.

Самое важное отличие ньютоновской физики от эйнштейновской при ответе на вопрос, как движение наблюдателя влияет на наблюдение пространственно‑временных положений, заключается в том, что в специальной теории относительности утверждение, что два удаленных друг от друга события произошли одновременно, не имеет абсолютного смысла. Один наблюдатель может видеть, что двое часов одновременно бьют полдень; другой наблюдатель, движущийся относительно первого, обнаруживает, что одни часы пробили полдень раньше или позже других. Как уже отмечалось выше, из‑за этого ньютоновская теория гравитации, как впрочем и любая аналогичная теория тяготения, несовместима с специальной теорией относительности. Ньютоновская теория утверждает, что в любой момент времени сила притяжения, действующая со стороны Солнца на Землю, зависит от того, где в этот момент находится Солнце. Возникает вопрос: в этот же момент относительно чего?

Естественный способ исправить положение заключается в отказе от старой ньютоновской идеи о мгновенном действии на расстоянии и замене этой идеи картиной сил, обусловленных полями . В такой картине Солнце не притягивает Землю непосредственно; оно создает в окружающем пространстве поле, называемое гравитационным, которое затем оказывает силовое действие на Землю. Может показаться, что такое отличие не составляет большой разницы, но на самом деле разница огромная: когда, например, на поверхности Солнца возникает протуберанец, он сначала оказывает влияние только на гравитационное поле вблизи Солнца, после чего это небольшое изменение поля начинает распространяться в пространстве со скоростью света, как рябь на поверхности воды от брошенного камешка, достигая Земли примерно через восемь минут. Все наблюдатели, движущиеся с любой постоянной скоростью, согласны с таким описанием, так как в специальной теории относительности все наблюдатели измеряют одну и ту же скорость света. Подобным образом электрически заряженное тело создает поле, называемое электромагнитным, действующее посредством электрических и магнитных сил на другие заряженные тела. Когда электрически заряженное тело внезапно приходит в движение, электромагнитное поле меняется сначала только вблизи тела, а затем это изменение поля распространяется со скоростью света. На самом деле в этом случае изменения электромагнитного поля и есть  то, что известно нам как свет, хотя это может быть свет такой большой или маленькой длины волны, которая недоступна нашему зрению.

В рамках доквантовой физики специальная теория относительности Эйнштейна хорошо согласовывалась с дуалистичной картиной природы: есть частицы, например электроны, протоны, нейтроны в обычных атомах, и есть поля – гравитационное или электромагнитное. Развитие квантовой механики привело к значительно более единой картине. С точки зрения квантовой механики энергия и импульс поля (например, электромагнитного) распространяются в виде сгустков, называемых фотонами, которые ведут себя как частицы, хотя и не имеющие массы. Аналогично, энергия и импульс гравитационного поля переносятся в виде сгустков, называемых гравитонами^[60], также ведущими себя как частицы с нулевой массой. В длинно‑действующем силовом поле вроде гравитационного поля Солнца мы не наблюдаем отдельных гравитонов главным образом потому, что их чрезвычайно много.

В 1929 г. Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули, основываясь на более ранней работе Макса Борна, Гейзенберга, Паскуаля Йордана и Юджина Вигнера, объяснили в нескольких статьях, каким образом массивные частицы, такие как электрон, могут рассматриваться как сгустки энергии и импульса в полях разного типа, например электронном поле. Точно так же, как электромагнитная сила между двумя электронами возникает в рамках квантовой механики в результате обмена фотонами, так и сила между фотонами и электронами порождается обменом электронами. Различие между материей и силой в значительной степени исчезает: каждая частица может играть роль пробного тела, на которое действуют силы, но эта же частица, участвуя в обмене, может порождать другие силы. В наши дни общепринято считать, что единственный способ, позволяющий объединить принципы специальной теории относительности и квантовой механики, достигается в квантовой теории поля или в подобной теории. Это и есть та самая логическая жесткость, которая придает красоту истинно фундаментальной теории: квантовая механика и специальная теория относительности почти несовместимы и их союз в рамках квантовой теории поля накладывает сильные ограничения на возможные способы взаимодействия частиц друг с другом.

Все вышеупомянутые симметрии только ограничивают те типы сил и виды материи, которые может содержать теория, но сами по себе эти симметрии не требуют  обязательного существования никакого определенного вида материи или силы. В ХХ в., особенно в последние десятилетия, значение принципов симметрии поднялось на новый качественный уровень: именно они определяют сейчас само существование всех известных сил в природе.

В общей теории относительности основополагающий принцип симметрии утверждает, что все  системы отсчета эквивалентны: законы природы выглядят одинаково не только для наблюдателей, движущихся с любой постоянной скоростью, но вообще для всех наблюдателей, как бы ускоренно не двигались и не вращались их лаборатории. Представьте, что мы заберем свои физические приборы из тиши университетской лаборатории и начнем производить эксперименты на равномерно вращающейся карусели. Вместо того, чтобы отсчитывать все направления от севера, мы станем измерять их по отношению к деревянным лошадкам, укрепленным на вращающейся карусели. На первый взгляд все законы природы станут выглядеть совершенно иначе. Наблюдатели на вращающейся карусели ощущают центробежную силу, которая отбрасывает все незакрепленные предметы к наружному борту карусели. Если бы физики родились и выросли на карусели и не знали бы, что они находятся на вращающейся платформе, то сформулированные ими для описания природных явлений законы механики обязательно включали бы центробежную силу так что эти законы выглядели бы существенно иначе, чем те, которые известны нам.

Исаак Ньютон был очень встревожен тем, что законы природы, по‑видимому, различают неподвижную и вращающуюся системы отсчета. Это тревожило физиков и в последующие столетия. В 1880‑е гг. физик и философ из Вены Эрнст Мах указал на другую возможную интерпретацию этого явления. Мах подчеркнул, что есть еще кое‑что, помимо центробежной силы, отличающее вращающуюся карусель от обычной лаборатории. С точки зрения астронома, находящегося на карусели, Солнце, звезды, галактики – короче говоря, вся материя во Вселенной кажется вращающейся вокруг зенита. Вы или я скажем, что это происходит, потому что вращается карусель, но астроном, выросший на карусели и, естественно, использующий ее как систему отсчета, будет настаивать, что вся остальная Вселенная вращается вокруг него. Мах задал вопрос, а нельзя ли рассматривать это великое кажущееся вращение материи как причину возникновения центробежной силы. Если так, то обнаруженные на карусели законы природы на самом деле ничем не отличаются от тех, которые найдены в более привычных лабораториях; кажущаяся разница возникает просто от того, что наблюдатели в разных лабораториях видят вокруг себя разные вещи.

Догадка Маха была подхвачена Эйнштейном и приняла конкретные формы в общей теории относительности. В этой теории действительно существует влияние далеких звезд, создающее эффект центробежной силы на вращающейся карусели. Это сила тяготения. Конечно, в ньютоновской теории тяготения нет ничего, кроме простого притяжения между массами. Общая теория относительности более сложна: вращение материи Вселенной вокруг зенита, наблюдаемое на карусели, порождает поле, чем‑то напоминающее магнитное поле, образуемое током, циркулирующим в катушке электромагнита. Именно эта «гравимагнитная»  сила производит в системе отсчета, связанной с каруселью, эффекты, которые в более привычных системах отсчета приписываются центробежной силе. Уравнения общей теории относительности, в противоположность уравнениям ньютоновской механики, сохраняют свой вид как в лаборатории на карусели, так и в обычной лаборатории; вся разница в наблюдениях в этих лабораториях полностью связана с разным окружением – в одном случае Вселенная вращается вокруг зенита, в другом случае – нет. Однако, если тяготения не существует, такая интерпретация центробежной силы была бы невозможной, так что сила, которую мы ощущаем, находясь на карусели, позволила бы отличить систему отсчета, связанную с этой каруселью, от более привычных лабораторных систем. Этим была бы исключена какая бы то ни было эквивалентность между вращающимися и неподвижными лабораториями. Отсюда можно сделать вывод: симметрия между различными системами отсчета требует существования гравитации .

Симметрия, которая лежит в основе электрослабой теории, еще более необычна. Она не имеет никакого отношения к изменению нашей точки зрения в пространстве и времени, а связана с изменением нашей точки зрения об идентичности разных типов элементарных частиц. Как мы видели ранее, частица может находиться в таком квантово‑механическом состоянии, когда про нее нельзя сказать с достоверностью, что она находится здесь или там или вращается по часовой стрелке или против часовой стрелки. Те же удивительные свойства квантовой механики позволяют частице находиться в состоянии, когда она не является с определенностью ни электроном, ни нейтрино, и это состояние существует до тех пор, пока мы не осуществим измерение некоторого свойства, отличающего эти две частицы, например их электрического заряда. В электрослабой теории форма законов природы не изменяется, если во всех наших уравнениях поменять электроны и нейтрино на такие смешанные состояния, которые не являются ни той, ни другой частицей. Поскольку с электронами и нейтрино взаимодействует множество других типов частиц, то одновременно необходимо перемешать семейства этих других частиц^[61], например смешать u ‑кварки с d ‑кварками или фотоны с их родственниками – положительно и отрицательно заряженными W ‑частицами и нейтральными Z ‑частицами. Такая симметрия связывает электромагнитные силы, вызываемые обменом фотонами, со слабыми ядерными силами, которые порождаются обменом W – и Z ‑частицами. В электрослабой теории фотоны, W – и Z ‑частицы являются сгустками энергии четырех полей, существование которых диктуется симметрией электрослабой теории во многом аналогично тому, как гравитационное поле диктуется симметрией общей теории относительности.

Симметрии, подобные той, которая лежит в основе электрослабой теории, называются внутренними симметриями , так как мы воспринимаем их как некоторое внутреннее свойство частиц, не связанное с их положением в пространстве или характером движения. Внутренние симметрии менее знакомы нам, чем симметрии, действующие в обычном пространстве и времени и определяющие структуру ОТО. Чтобы чуть‑чуть лучше понять, о чем идет речь, вы можете представить, что у каждой частицы есть маленький циферблат, стрелка которого показывает направления, помеченные словами «электрон» или «нейтрино», или «фотон» и «W », или находится в любом промежуточном состоянии. Внутренняя симметрия утверждает, что законы природы не меняют своей формы, если мы станем произвольным образом вращать стрелки на этих циферблатах.

Более того, в рамках того типа симметрий, которые определяют электрослабые силы, мы можем вращать эти стрелки по‑разному для частиц в разных местах и в разные моменты времени. Это уже во многом похоже на симметрию, лежащую в основе общей теории относительности, которая позволяет поворачивать наши лаборатории не только на постоянный угол, но и на угол, увеличивающийся со временем, если, например, поместить лабораторию на карусель. Инвариантность законов природы по отношению к совокупности преобразований внутренних симметрий, которые зависят от местоположения и времени, называется локальной  симметрией (поскольку результат преобразования симметрии зависит от положения в пространстве и времени) или калибровочной  симметрией (по чисто историческим причинам)^[62]. Именно локальная симметрия между разными системами отсчета в пространстве и времени приводит к необходимости существования тяготения. Во многом аналогичным образом другая локальная симметрия – между электронами и нейтрино (а также между u – и d ‑кварками и т.д.) – приводит к необходимости существования фотона и W – и Z ‑частиц.

Есть еще и другая точная локальная симметрия, связанная с внутренними свойствами кварков и получившая причудливое название «цвет»^[63]. Мы видели, что существуют кварки разных типов, например кварки u  и d , из которых сделаны протоны и нейтроны, входящие в состав всех обычных атомных ядер. Но кварки каждого из этих типов существуют в трех различных цветовых состояниях, которые физики (по крайней мере в США) часто называют красным, белым и синим. Конечно, все это не имеет никакого отношения к обычному цвету, а есть всего лишь способ отличить разновидности кварков данного типа. Насколько мы сейчас знаем, в природе существует точная симметрия между всеми цветами. Иными словами, сила, действующая между красным и белым кварками, равна силе, действующей между белым и синим кварками, а силы, действующие между двумя красными или двумя синими кварками, также равны друг другу. Но эта симметрия намного шире, чем просто симметрия по отношению к замене цветов кварков друг на друга. Согласно законам квантовой механики, можно рассматривать состояния отдельных кварков, которые не являются с определенностью красными, белыми или синими. Законы природы будут иметь точно ту же форму, если заменить красный, белый и синий кварки на кварки в трех подходящих смешанных состояниях (например, фиолетовый, розовый и бледно‑лиловый). Опять же по аналогии с общей теорией относительности тот факт, что законы природы остаются прежними, даже если смешивание изменяется от точки к точке в пространстве и времени, приводит к необходимости включить в теорию семейство полей, аналогичных гравитационному полю и взаимодействующих с кварками. Таких полей восемь; их называют полями глюонов^[64], так как большие силы, которые они порождают, склеивают вместе кварки внутри протонов и нейтронов. Современная теория этих сил, квантовая хромодинамика , как раз и есть теория кварков и глюонов, подчиняющаяся локальной цветовой симметрии. Стандартная модель элементарных частиц состоит из теории электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики.

Я упоминал, что принципы симметрии придают теориям определенную жесткость. Может показаться, что это недостаток, что физик хочет развивать теории, способные охватить как можно более широкий круг явлений, и поэтому предпочел бы, чтобы теории были как можно более гибкими и не теряли смысла при самых разных обстоятельствах. Да, во многих областях науки это верно, но только не в той области фундаментальной физики, о которой идет речь. Мы находимся на пути к чему‑то универсальному, к чему‑то, что управляет физическими явлениями везде во Вселенной, к тому, что мы называем законами природы. Мы не хотим разрабатывать теорию, способную описать все мыслимые типы сил, которые могли бы действовать между частицами в природе. Напротив, мы надеемся найти такую теорию, которая жестко позволила бы нам описать только те силы – гравитационную, электрослабую и сильную, которые существуют на самом деле. Жесткость такого рода в наших физических теориях есть часть того, что мы понимаем под их красотой.

Но не только принципы симметрии придают нашим теориям жесткость. Основываясь только на этих принципах, мы не смогли бы прийти к электрослабой теории или квантовой хромодинамике; эти теории выступали бы как частные случаи намного более широкого круга теорий с неограниченным набором настраиваемых констант, которые могли бы выбираться совершенно произвольно. Дополнительные ограничения, позволяющие отобрать нашу простую стандартную модель из множества других, более сложных, теорий, удовлетворяющих тем же принципам симметрии, связаны с требованием, чтобы полностью сокращались все бесконечности, которые возникают в вычислениях. (Иначе говоря, теория должна быть «перенормируемой»^[65].) Это условие, как оказывается, придает уравнениям теории большую простоту и вместе с разными локальными симметриями позволяет придать законченную форму нашей стандартной модели элементарных частиц.

Красота, которую мы обнаруживаем в таких теориях, как ОТО или стандартная модель, сродни той красоте, которую мы ощущаем в некоторых произведениях искусства благодаря вызываемому ими ощущению законченности и неизбежности: не хочется менять ни одной ноты, ни одного мазка кисти, ни одной строки. Однако, как и в нашем восприятии музыки, живописи или поэзии, это ощущение неизбежности есть дело вкуса и опыта и не может быть сведено к «сухой» формуле.

Каждые два года лаборатория им. Лоуренса в Беркли издает маленькую книжечку, в которой перечислены известные на данный момент свойства элементарных частиц^[66]. Если я выскажу утверждение: фундаментальным законом природы является то, что элементарные частицы имеют свойства, которые перечислены в книжечке, то отсюда можно будет сделать вывод, что известные свойства элементарных частиц следуют из этого фундаментального принципа. Этот принцип даже имеет некоторую предсказательную силу: каждый новый протон или электрон, созданный в наших лабораториях, будет иметь те самые массу и заряд, которые указаны в этой книжечке. Но, взятый сам по себе, этот принцип настолько уродлив, что никто и не подумает, будто вопрос исчерпан. Уродливость этого принципа – в отсутствии простоты и неизбежности. Ведь книжечка содержит тысячи чисел, и любое из них можно изменить, не превратив остальную информацию в глупость. Нет никакой логической формулы, которая устанавливала бы четкую границу между красивой теорией, способной что‑то объяснить, и простым перечислением данных, но мы знаем, что эта граница существует, когда мы ее видим: мы требуем простоты и жесткости наших принципов, прежде чем принять их всерьез. Итак, наши эстетические суждения есть не только средство, помогающее нам найти научные объяснения и оценить их пригодность; эти суждения есть часть того, что мы подразумеваем под объяснением .

Иные ученые иногда подшучивают над физиками, занимающимися элементарными частицами, так как сейчас открыто столько так называемых элементарных частиц, что нам приходиться все время таскать с собой упомянутую книжечку, чтобы в нужный момент вспомнить о характеристиках какой‑то из них. Но само по себе число частиц несущественно. Как сказал Абдус Салам, природа экономит не на частицах или силах, а на принципах. Важно установить набор простых, экономных принципов, которые объясняли бы, почему частицы такие, какие они есть. Конечно, огорчительно, что до сих пор у нас нет полной теории того типа, которого хотелось бы. Но когда такая теория будет построена, уже будет не очень существенно, сколько сортов частиц или сил она описывает, если только она делает это красиво, как неизбежное следствие простых принципов.

Тот тип красоты, который мы обнаруживаем в физических теориях, очень ограничен. Если только мне удалось правильно схватить суть и выразить ее в словах, речь идет о красоте простоты и неизбежности, о красоте идеальной структуры, красоте подогнанных друг к другу частей целого, красоте неизменяемости, логической жесткости. Такая красота классически строга и экономна, она напоминает красоту греческих трагедий. Но ведь это не единственный тип красоты, известный нам в искусстве. Например, мы не найдем этой красоты в пьесах Шекспира, по крайней мере, если не касаться его сонетов. Часто постановщики шекспировских пьес выкидывают целые куски текста. В экранизации «Гамлета» Лоуренсом Оливье Гамлет не говорит: «О, что за дрянь я, что за жалкий раб!..» И тем не менее пьеса не разрушается, так как шекспировские пьесы не обладают совершенной и экономной структурой, как общая теория относительности или «Царь Эдип»; наоборот, эти пьесы представляют собой запутанные композиции, причем их беспорядочность отражает сложность реальной жизни. Все это составляет часть красоты пьес Шекспира, которая, на мой вкус, более высокого порядка, чем красота пьесы Софокла или красота ОТО. Пожалуй, самые сильные моменты в пьесах Шекспира – это те, когда он полностью пренебрегает канонами греческой трагедии и внезапно вводит в действие комичного простака, какого‑нибудь слугу, садовника, продавца смокв или могильщика и делается это как раз перед тем, как главные герои пьесы встречаются со своей судьбой. Несомненно, красота теоретической физики была бы очень дурным образцом для произведений искусства, но так или иначе она доставляет нам радость и служит путеводной нитью.

Есть и еще одно обстоятельство, которое заставляет меня думать, что теоретическая физика – плохой образец для искусств. Наши теории очень закрыты для всеобщего обозрения, причем по необходимости, так как мы вынуждены пользоваться при развитии этих теорий языком математики, не ставшей пока что частью интеллектуального багажа всей образованной публики. Вообще говоря, физики не любят признаваться, что их теории так эзотеричны. С другой стороны, я не один раз слышал, как некоторые художники с гордостью говорили о том, что их картины доступны для понимания только маленькой группе единомышленников, и в качестве подтверждения ссылались на пример физических теорий, вроде общей теории относительности, которые также понятны лишь избранным. Конечно, художники, как и физики, не всегда могут быть понятными широкой публике, однако эзотеризм как самоцель – просто глупость.

Хотя мы ищем теории, красота которых основана на жесткости, которую дают простые основополагающие принципы, все же создание теории – это не просто математический вывод следствий из набора заранее предписанных принципов. Эти принципы часто формулируются в процессе нашего продвижения вперед, иногда специально в такой форме, которая приводит к желаемой нами степени жесткости теории. У меня нет сомнений в том, что одна из причин, по которой Эйнштейн был так удовлетворен собственной идеей об эквивалентности гравитации и инерции, заключалась в том, что этот принцип приводил лишь к одной‑единственной достаточно удовлетворительной теории тяготения, а не к бесконечно большому множеству возможных теорий. Получение следствий из определенного набора четко сформулированных физических принципов может оказаться делом сложным или не очень, но именно этому и учат физиков в высшей школе, и именно этим они, вообще говоря, любят заниматься. Формулировка же новых  физических принципов – мучительный процесс, и этому, по‑видимому, нельзя научить.

Красота физических теорий находит отражение в жестких математических структурах, основанных на простых основополагающих принципах. Поразительно, что даже если принципы оказываются неверными, структуры, обладающие красотой подобного типа, выживают. Хорошим примером является теория электрона Дирака. В 1928 г. Дирак попытался пересмотреть шредингеровскую версию квантовой механики, основанную на волнах частиц, с тем чтобы совместить ее с специальной теорией относительности. Эта попытка привела Дирака к выводу, что электрон должен обладать определенным спином и что Вселенная заполнена ненаблюдаемыми электронами с отрицательной энергией, отсутствие  которых в определенной точке наблюдалось бы в лаборатории как наличие электрона с противоположным зарядом, т.е. античастицы электрона. Теория Дирака завоевала необычайный авторитет после открытия в 1932 г. в космических лучах как раз такой античастицы электрона, получившей название позитрона. Эта теория стала ключевой составной частью квантовой электродинамики, развитой и успешно примененной для анализа физических явлений в 30‑х и 40‑х гг. Однако сегодня мы знаем, что точка зрения Дирака была во многом ошибочной. Правильным способом объединения квантовой механики и специальной теории относительности оказалась не релятивистская версия волновой механики Шрёдингера, как думал Дирак, а более общий формализм, разработанный Гейзенбергом и Паули в 1929 г. и известный под названием квантовой теории поля. В этой теории не только фотон рассматривается как сгусток энергии поля, а именно электромагнитного поля, но и электроны, и позитроны являются сгустками энергии электронного поля, и все другие частицы представляют сгустки энергии различных полей. Почти по случайным причинам дираковская теория электрона приводила к тем же результатам, что и квантовая теория поля, для процессов с участием только электронов, позитронов и фотонов. Но квантовая теория поля является значительно более общей: она может рассматривать процессы типа ядерного бета‑распада, которые совершенно непостижимы в рамках теории Дирака^[67]. В квантовой теории поля нет никаких специальных требований, чтобы частица имела какой‑то определенный спин. Оказалось, что спин электрона как раз такой, какой требует теория Дирака, но есть и другие частицы, с другими спинами, и у них тоже есть античастицы, причем все это не имеет никакого отношения к отрицательным энергиям и связанным с ними рассуждениям Дирака^[68]. Однако математический формализм  дираковской теории сохранился как существенная часть квантовой теории поля. Его обязаны изучать в любом курсе лекций по современной квантовой теории для старшекурсников. Таким образом, формальная структура теории Дирака пережила смерть принципов релятивистской волновой теории, которым следовал Дирак при построении своей теории.

Итак, математические структуры, развиваемые учеными для реализации физических принципов, обладают странным свойством подвижности. Их можно переносить от одного концептуального окружения к другому, они могут служить разным целям. Так, лопаточные кости в теле человека играют роль соединения между крыльями и телом птицы или ластами и телом дельфина. Физические принципы приводят к красивым структурам, которые остаются жить, даже когда умирают принципы.

Возможное объяснение было предложено Нильсом Бором^[69]. Рассуждая в 1922 г. о будущем своей ранней теории строения атомов, он заметил, что «в математике существует ограниченное число форм, которые нам удается использовать для описания природы, и может так случиться, что кто‑нибудь обнаружит правильные формы, исходя из совершенно неверных представлений». Бор оказался совершенно прав в отношении будущего собственной теории: принципы, лежащие в ее основе, были отвергнуты, но мы до сих пор используем некоторые элементы ее языка и методы вычислений.

Именно применение чистой математики к физике дает поразительные примеры эффективности эстетических суждений. Уже давно стало общим местом утверждение, что математики руководствуются в своей работе желанием построить такой формализм, принципы которого красивы. Английский математик Г. Харди пояснял, что «математические структуры должны быть так же красивы, как те, которые используют художники или поэты. Идеи, как краски или слова, должны гармонично сочетаться друг с другом. Красота – первый тест. Уродливой математике нет места»^[70]. И вот оказалось, что благоговейно разрабатывавшиеся математиками структуры, в которых они искали красоту, позднее часто становились необычайно важными для физиков.

Для иллюстрации вернемся к примеру с неевклидовой геометрией и общей теорией относительности. В течение двух тысяч лет после Евклида математики пытались выяснить, являются ли независимыми друг от друга те предположения, которые лежат в основе евклидовой геометрии. Если постулаты не независимы, если какие‑то из них могут быть выведены из других, тогда лишние должны быть отброшены, что приведет к более экономной, а следовательно более красивой формулировке геометрии. Попытки разобраться в структуре евклидовой геометрии достигли пика к началу XIX в., когда «король геометров» Карл Фридрих Гаусс и другие ученые^[71] разработали неевклидову геометрию, применимую для искривленного пространства определенного типа, в котором выполнены все постулаты Евклида, кроме пятого^[72]. Этим было доказано, что пятый постулат Евклида действительно логически независим от остальных. Новая геометрия была построена, чтобы ответить на давний вопрос об основаниях геометрии, а совсем не для того, чтобы применять ее к реальному миру.

Затем один из величайших математиков, Георг Фридрих Бернгард Риман, развил неевклидову геометрию, обобщив ее на общую теорию искривленных пространств в двух, трех или произвольном числе измерений. Не имея никакого представления о возможных физических приложениях, математики продолжали трудиться над развитием римановой геометрии, так как она поражала своей красотой. Эта красота во многом опять была красотой неизбежности. Достаточно начать размышлять над свойствами искривленных пространств, и вы почти неизбежно придете к необходимости введения математических понятий (метрика, аффинная связность, тензор кривизны), являющихся неотъемлемыми частями римановой геометрии. Когда Эйнштейн начал развивать общую теорию относительности, он вскоре понял, что один из способов реализации его идей о симметрии между различными системами отсчета заключается в том, чтобы описать тяготение как кривизну пространства‑времени. Эйнштейн поинтересовался у своего друга, математика Марселя Гроссмана, не существует ли какой‑нибудь теории искривленных пространств – не просто искривленных двумерных поверхностей в обычном трехмерном евклидовом пространстве, а искривленных трехмерных и даже четырехмерных пространств? Гроссман обрадовал Эйнштейна, сказав, что такой математический формализм существует, он развит Риманом и другими математиками. Более того, Гроссман обучил Эйнштейна этой математике, которая затем вошла составной частью в общую теорию относительности. Таким образом, получается, что математика ждала появления Эйнштейна, который сумел ее использовать для физики, хотя я полагаю, что ни Гаусс, ни Риман, ни другие специалисты по дифференциальной геометрии XIX в. понятия не имели, что их работа когда‑нибудь будет иметь хоть какое‑то отношение к физической теории тяготения.

Еще более странным является пример с историей открытия принципов внутренней симметрии. В физике эти принципы обычно отражают нечто вроде семейных связей между отдельными членами в списке возможных элементарных частиц. Первый известный пример такой симметрии связан с двумя типами частиц, из которых состоят обычные атомные ядра, – протоном и нейтроном. Массы протона и нейтрона почти одинаковы, так что, когда нейтрон был открыт Джеймсом Чедвиком в 1932 г., сразу же возникло естественное предположение, что сильные ядерные силы (дающие вклад в массы нейтрона и протона) должны обладать простой симметрией: уравнения, определяющие эти силы, должны сохранять свой вид, если везде в них поменять местами роли протонов и нейтронов. Помимо прочего, из такой гипотезы следует, что сильные ядерные силы, действующие между двумя нейтронами, равны таким же силам, действующим между двумя протонами. Однако ничего нельзя сказать о силе, действующей между протоном и нейтроном. Поэтому несколько неожиданным оказался результат экспериментов, подтвердивших в 1936 г., что ядерные силы, действующие между двумя протонами, равны таким же силам, действующим между протоном и нейтроном^[73] Это наблюдение породило идею симметрии, выходящей за рамки простой замены протонов на нейтроны и наоборот. Речь идет о симметрии по отношению к непрерывным преобразованиям, превращающим протоны и нейтроны в частицы, являющиеся суперпозициями протонов и нейтронов, с произвольной вероятностью находиться в протонном или нейтронном состояниях.

Подобные преобразования симметрии действуют на метку частицы, которая отличает протоны от нейтронов, способом, который математически совпадает с тем, как обычные вращения в трехмерном пространстве действуют на спины частиц, вроде протона, нейтрона или электрона^[74]. Помня об этом примере, многие физики вплоть до начала 60‑х гг. молчаливо предполагали, что по аналогии с вращениями, переводящими протон и нейтрон друг в друга, все преобразования внутренней симметрии, оставляющие неизменными законы природы, должны иметь форму вращений в некотором внутреннем пространстве двух, трех или более измерений. Учебники, в которых излагалось применение принципов симметрии к физике (включая классические книги Германа Вейля и Юджина Вигнера) даже не упоминали о других математических возможностях. Только в конце 50‑х гг., после открытия множества новых частиц сначала в космических лучах, а позднее на ускорителях вроде бэватрона в Беркли, в среде физиков‑теоретиков возникло более широкое понимание возможностей описания внутренних симметрий. Новые частицы, казалось, объединялись в значительно более обширные семейства, чем простая пара протон‑нейтрон. Например, обнаружилось, что протон и нейтрон несут черты фамильного сходства с шестью другими частицами, называемыми гиперонами и имеющими тот же спин и близкие массы. Какой же тип внутренней симметриии может порождать такие обширные родственные группы?

В начале 60‑х гг. физики, занимавшиеся этим вопросом, обратились за помощью к литературе по математике. Для них оказалось приятным сюрпризом, что математики уже давно составили в некотором смысле полный каталог всех возможных симметрий. Полный набор преобразований, оставляющих что‑то неизменным, будь то конкретный объект или законы природы, образует математическую структуру, называемую группой , а раздел математики, изучающий преобразования симметрии, называется теорией групп ^[75]. Каждая группа характеризуется абстрактными математическими правилами, не зависящими от того, что подвергается преобразованию, так же как правила арифметики не зависят от названий тех величин, которые мы складываем или умножаем. Список типов семейств, разрешенных каждой конкретной симметрией законов природы, полностью определяется математической структурой группы симметрии.

Те группы преобразований, которые действуют непрерывно, наподобие вращений в обычном пространстве или смешивания электронов и нейтрино в электрослабой теории, называются группами Ли  – по имени норвежского математика Софуса Ли. Французский математик Эли Картан в своей диссертации в 1894 г. дал полный список всех «простых» групп Ли^[76], с помощью комбинаций которых можно построить все остальные группы. В 1960 г. Мюррей Гелл‑Манн и израильский физик Ювал Нееман независимо обнаружили, что одна из этих простых групп Ли, известная под названием SU(3) , как раз правильно описывает структуру семейств множества элементарных частиц в согласии с экспериментальными данными. Гелл‑Манн позаимствовал некоторые понятия буддизма и назвал новую симметрию восьмеричным путем^[77], так как известные на опыте частицы лучше всего делились на семейства по восемь членов, как протон, нейтрон и шесть их родственников. К тому времени не все семейства были полными. Так, нужна была новая частица, чтобы заполнить семейство из десяти частиц, похожих на нейтрон, протон и гипероны, но имеющих втрое больший спин. Одним из больших успехов новой SU(3)  симметрии стало то, что предсказанная частица была обнаружена в 1964 г. в Брукхейвене^[78], причем значение ее массы совпало с теоретической оценкой Гелл‑Манна.

Теория групп, оказавшаяся столь полезной для физики, была на самом деле придумана математиками по причинам, относящимся к сугубо внутренним математическим проблемам. Толчок к развитию теории групп дал в начале XIX в. Эварист Галуа в своем доказательстве того, что не существует общих формул для решения определенных алгебраических уравнений (включающих пятую или более высокую степень неизвестной величины)^[79]. Ни Галуа, ни Ли, ни Картан не имели ни малейшего представления, как можно было бы применить теорию групп в физике.

Чрезвычайно удивительно, что чувство математической красоты всегда приводило математиков к построению формальных структур, которые оказывались впоследствии полезными для физиков, даже несмотря на то, что сами математики ни о чем подобном не помышляли. В широко известном эссе физика Юджина Вигнера^[80] это явление так и называется: «непостижимая эффективность математики». Физики считают, что способность математиков предвидеть, какие математические средства понадобятся для развития физических теорий, совершенно фанатастична. Это похоже на то, как если бы Нейл Армстронг, делая в 1969 г. первые шаги по поверхности Луны, увидел бы в лунной пыли отпечатки сапог Жюля Верна.

Так в чем же  обретает физик ощущение красоты, которое помогает не только открывать теории, описывающие реальный мир, но и оценивать справедливость этих теорий, иногда противоречащих существующим экспериментальным данным? И каким образом чувство математической красоты приводит к построению структур, которые десятилетия спустя оказываются полезными для физиков, несмотря на то, что сами математики совершенно не интересуются физическими приложениями?

Мне кажется, что имеются три приемлемых объяснения, два из которых применимы к большинству разделов науки вообще, а третий относится именно к наиболее фундаментальным вопросам физики. Первое объяснение заключается в том, что сама Вселенная воздействует на нас как случайная, неэффективная, но все же, если взять большой промежуток времени, мощная обучающая машина. Точно так же, как в результате серии случайных событий атомы углерода, азота, водорода и кислорода соединились вместе, образовав примитивные формы жизни, которые затем эволюционировали в простейшие живые существа, рыб и человека, так и в наших взглядах на Вселенную постоянно происходил естественный отбор идей. Преодолевая бесчисленное множество фальстартов, мы сумели вбить себе в головы, что природа устроена определенным образом, и выросли с мыслью, что именно это устройство природы прекрасно.

Похожим образом, вероятно, каждый из нас объяснил бы, почему чувство прекрасного помогает тренеру угадать, какая из лошадей выиграет скачку. Тренер много лет не покидает ипподром, он видел бесчисленное множество как выигравших, так и проигравших лошадей, и он научился, даже не умея это выразить словами, сопоставлять какие‑то наглядные приметы с ожиданием, что именно эта лошадь победит.

Одно из занятий, делающих историю науки бесконечно увлекательной, заключается в том, чтобы проследить за медленным изменением наших представлений о типе красоты, ожидаемой в природе. Однажды я пустился в раскопки оригинальных статей 30‑х гг., посвященных первым попыткам формулировки принципов внутренней симметрии в ядерной физике, той симметрии, о которой выше упоминалось как о симметрии между протонами и нейтронами. Моя цель была в том, чтобы найти ту первую статью, в которой этот принцип симметрии сформулирован так, как это делается в наши дни, т.е. как фундаментальный самостоятельный закон ядерной физики, не зависящий от конкретной теории ядерных сил. Я не смог найти такой статьи. Создалось впечатление, что в 30‑е гг. писать статьи, посвященные принципам симметрии, считалось дурным тоном. Хорошим же тоном считалось писать статьи о ядерных силах. Если оказывалось, что силы обладают определенной симметрией, тем лучше. Так, если вам были известны силы, действующие между протоном и нейтроном, вам не надо было гадать, какие силы действуют между двумя протонами. Но сам по себе принцип симметрии не рассматривался, как я уже сказал, как свойство, обосновывающее справедливость теории и делающее ее красивой. Принципы симметрии рассматривались как математические трюки; реальное же дело физиков было в том, чтобы разрабатывать динамическую теорию наблюдаемых сил.

Сейчас времена изменились. Если экспериментаторам удается открыть какие‑то новые частицы, образующие те или иные семейства, вроде протон‑нейтронного дублета, тут же почтовый ящик заполняется сотнями препринтов теоретических статей, рассуждающих на тему о том, какая же симметрия определяет структуру этих семейств. Если обнаружится новый тип сил, мы все начнем размышлять о том, какая же симметрия определяет существование этой силы. Очевидно, что мы изменились благодаря обучающему воздействию природы, которая привила нам ощущение красоты, отсутствовавшее в наших первоначальных представлениях.

Даже математики живут все‑таки в реальном мире и откликаются на его уроки. В течение двух тысячелетий школьникам преподавалась геометрия Евклида как почти идеальный пример абстрактного дедуктивного способа мышления. Однако благодаря общей теории относительности мы узнали в ХХ в., что евклидова геометрия хорошо работает только потому, что гравитационное поле на поверхности Земли довольно слабо, так что пространство, в котором мы живем, не имеет заметной кривизны. Формулируя свои постулаты, Евклид действовал, по‑существу, как физик используя свой опыт жизни в слабых гравитационных полях эллинистической Александрии для создания теории неискривленного пространства. Он не мог знать, насколько ограничена и обусловлена его геометрия. Действительно, только сравнительно недавно мы научились отличать чистую математику от той науки, к которой она применяется. Лукасовскую кафедру в Кембридже занимали Ньютон и Дирак, но тем не менее официально она до сих называется кафедрой математики, а не физики. Только развитие строгого и абстрактного стиля математического мышления^[81], восходящее к работам Огюстена Луи Коши и других математиков в начале XIX в., привело к тому, что идеалом математиков стало, чтобы их работы были независимы от опыта и здравого смысла.

Вторая причина, почему мы считаем, что успешные физические теории должны быть красивы, заключается просто в том, что ученые стремятся выбирать для исследования только такие задачи, у которых можно ожидать красивых решений. Точно такой же стиль рассуждений присущ и нашему другу – тренеру. Его работа – тренировать лошадей для того, чтобы они выигрывали скачки; он научился определять, какая из лошадей имеет больше шансов на выигрыш, и называет таких лошадей красивыми; но если вы отведете тренера в сторонку и пообещаете никому не передавать то, что он скажет, то он поклянется вам, что единственная причина, почему он занят этим делом – тренировкой лошадей для выигрыша скачек, заключается в том, что лошади, которых он тренирует, чертовски красивы.

Хороший пример сказанного в физике – явление мягких фазовых переходов^[82], например спонтанного исчезновения намагниченности при нагревании постоянного железного магнита до температуры выше 770 °С, известной как точка Кюри. Поскольку переход мягкий, намагниченность куска железа обращается в нуль постепенно, при приближении температуры к точке Кюри. Удивительным в таких фазовых переходах является закон , по которому намагниченность стремится к нулю. Оценивая различные энергии в магните, физики были склонны предполагать, что, когда температура чуть ниже точки Кюри, намагниченность должна быть просто пропорциональна квадратному корню из разности между температурой Кюри и температурой нагрева. Вместо этого экспериментально наблюдается, что намагниченность пропорциональна этой разности в степени 0,37. Иными словами, зависимость намагниченности от температуры оказывается где‑то в промежутке между законом пропорциональности квадратному корню (показатель степени 0,5) и кубическому корню (показатель степени 0,33) из разности между температурой Кюри и температурой нагрева магнита.

Степени типа 0,37 называются критическими показателями , иногда с добавлением слов «неклассические» или «аномальные», так как эти показатели отличаются от ожидаемых. Было обнаружено, что существуют и другие величины, ведущие себя аналогичным образом в разного рода фазовых переходах, причем в некоторых случаях критические показатели были теми же самыми. Те явления, где возникают критические показатели, не столь впечатляют, как черные дыры или расширение Вселенной. Тем не менее ряд выдающихся физиков‑теоретиков во всем мире занимался проблемой критических показателей, пока наконец она не была решена в 1972 г. учеными из Корнеллского университета (США) Кеннетом Вильсоном и Майклом Фишером. Можно было бы думать, что точное вычисление самой точки Кюри имеет значительно больший практический интерес. Почему же корифеи физики твердого тела считали проблему критических показателей намного более важной?

Я полагаю, что эта проблема привлекала такое внимание потому, что физики чувствовали, что она должна иметь очень красивое решение. Указания на это вытекали прежде всего из факта универсальности явления, из того, что одни и те же критические показатели возникали в совершенно разных задачах. Кроме того, физики давно привыкли к тому, что наиболее существенные свойства физических явлений часто выражаются в форме закона, связывающего какую‑то физическую величину со степенями других величин (примером может служить закон обратных квадратов для тяготения). Оказалось, что теория критических показателей обладает такой простотой и неизбежностью, что она стала одной из самых красивых теорий во всей физике. В то же время проблема вычисления точной температуры фазовых переходов необычайно запутанна, и ее решение требует знания сложных деталей устройства железа или других веществ, в которых происходит фазовый переход. Люди занимаются этой задачей либо исходя из практических потребностей, либо за неимением лучшего.

В ряде случаев первоначальные надежды ученых на построение красивой теории не оправдывались в полной мере. Хорошим примером может служить история открытия генетического кода. Фрэнсис Крик в своей автобиографии^[83] рассказывает, как после открытия им и Джеймсом Уотсоном структуры ДНК в виде двойной спирали внимание всех специалистов по молекулярной биологии обратилось на расшифровку кода, с помощью которого клетка считывает последовательность химических оснований в двух спиралях ДНК как программу для построения нужных белковых молекул. Было известно, что белки строятся из цепочек аминокислот, что существует только двадцать аминокислот, существенных для функционирования практически всех животных и растений, что информация для выбора каждой последующей аминокислоты в молекуле белка заложена в выборе трех последовательных пар химических единиц, называемых основаниями, и, наконец, что имеются только четыре разных типа таких пар. Таким образом, генетический код содержит запись о трех последовательных комбинациях, каждая из которых выбрана из четырех возможных пар оснований, определяющих выбор каждой следующей аминокислоты из двадцати возможных, входящей в состав белковой молекулы. Молекулярные биологи предлагали кучу красивых принципов, управляющих этим кодом, например, что при выборе трех пар оснований никакая информация не будет растрачена впустую, и что любая информация, не требующаяся для определения аминокислоты, будет использована для поиска ошибок (как в компьютерных сетях, когда от одного компьютера к другому передаются лишние биты информации, чтобы убедиться в точности передачи сообщения). Ответ, найденный в 1960 г., оказался совсем иным. Генетический код во многом случаен: некоторые аминокислоты шифруются более чем одной тройкой пар оснований и, наоборот, некоторые тройки пар ничему не соответствуют^[84]. Конечно, генетический код не настолько плох, как полностью случайный код, откуда следует, что код как‑то менялся в ходе эволюции, но все же любой специалист по передаче сообщений придумал бы код получше. Причина, конечно, в том, что генетический код не был создан , а развивался за счет случайных воздействий с самого начала возникновения жизни на Земле и был унаследован примерно в одном и том же виде всеми организмами. Ясно, что понимание генетического кода настолько важно, что мы изучаем его независимо от того, насколько он красив, но все же немножко жалко, что код оказался не таким красивым, как хотелось бы.

Иногда, когда нас подводит чувство красоты, это происходит потому, что мы переоцениваем фундаментальный характер того, что собираемся объяснить. Знаменитым примером служит работа молодого Иоганнеса Кеплера, посвященная размерам орбит планет.

Кеплер знал об одном из самых красивых утверждений, полученных греческими математиками, касающемся так называемых платоновских тел. Это трехмерные тела с плоскими гранями, причем все вершины, все грани и все ребра этих тел одинаковы. Очевидным примером является куб. Древние греки доказали, что существует всего пять таких платоновских тел: треугольная пирамида (тетраэдр), куб, восьмигранный октаэдр, двенадцатигранный додекаэдр и двадцатигранный икосаэдр. (Свое название эти тела получили потому, что Платон в Тимее  предложил взаимно‑однозначное соответствие между этими пятью телами и предполагаемыми пятью основными элементами. Такую точку зрения затем критиковал Аристотель.) Существование платоновских тел – пример необычайной математической красоты; она сродни красоте картановского списка всех возможных непрерывных принципов симметрии.

В своем сочинении Mysterium cosmographicum  Кеплер предположил, что существование ровно пяти платоновских тел объясняет, почему существует ровно пять (не считая Земли) планет: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн (в те времена Уран, Нептун и Плутон еще не были открыты). Каждой из этих пяти планет Кеплер сопоставил одно из платоновских тел, после чего он предположил, что радиусы орбит каждой из планет пропорциональны радиусам соответствующих платоновских тел, если их вписать одно в другое в нужном порядке. Кеплер писал, что он исправлял нерегулярности в движении планет «до тех пор, пока они не стали соответствовать законам природы»^[85].

Современному физику может показаться чудовищным, что один из основоположников современной картины мира мог предлагать столь смехотворную модель Солнечной системы. И дело не только в том, что кеплеровская схема не соответствует наблюдениям планет Солнечной системы (а это на самом деле так), но прежде всего в том, что мы знаем, что подобные спекуляции не имеют отношения к истинным законам, управляющим движениями планет. Но Кеплер не был дураком. Тот способ спекулятивного мышления, который он использовал для объяснения структуры Солнечной системы, очень напоминает способ теоретизирования современных физиков, занимающихся элементарными частицами: мы не ассоциируем что‑то с платоновскими телами, но верим в то, что существует, например, соответствие между разными возможными силами в природе и разными симметриями из картановского списка всех возможных симметрий. Кеплер ошибался не тогда, когда использовал подобный способ угадывания истины, а тогда, когда считал (как и многие философы до него), что движение планет представляет собой важное явление.

Конечно, в каких‑то отношениях планеты важны. На одной из них мы живем. Но существование планет не входит на фундаментальном уровне в число законов природы. Мы сегодня знаем, что планеты и их орбиты есть результат совокупности исторических случайностей, и, хотя физическая теория может предсказать, какие орбиты стабильны, а какие нет, нет никаких причин предполагать наличие специальных соотношений между радиусами этих орбит, которые отличались бы особой математической простотой и красотой.

Ожидать красивых ответов мы можем только тогда, когда изучаем поистине фундаментальные проблемы. Мы верим, что когда спрашиваем, почему мир такой, какой есть, а затем спрашиваем, почему предыдущий ответ такой, а не иной, то в конце этой цепочки объяснений мы обнаружим несколько простых принципов поразительной красоты. Мы думаем так отчасти потому, что наш исторический опыт учит, что чем глубже мы проникаем в суть вещей, тем больше красоты находим. Платон и неоплатоники учили, что красота в природе есть отражение красоты высшего мира идей. Мы также считаем, что красота современных теорий есть проявление и предвестник красоты окончательной теории. В любом случае мы не признаем ни одну теорию за окончательную, если она не будет красивой.

Хотя до сих пор мы не можем точно почувствовать, когда необходимо в работе обращаться к чувству прекрасного, все же в физике элементарных частиц эстетические суждения, по‑видимому, работают все лучше и лучше. Я считаю это свидетельством того, что мы движемся в правильном направлении и, может быть, находимся не так уж далеко от нашей цели.