Пошук остаточних законів природи
Цей сайт присвячений великій інтелектуальній пригоді - пошуку остаточних законів природи. Мрія про остаточну теорію багато в чому надихає роботи в області фізики високих енергій. Хоча ми й не знаємо, як можуть виглядати остаточні закони або скільки років пройде, перш ніж вони будуть відкриті, все-таки ми думаємо, що вже в сучасних теоріях уловлюються проблиски контурів остаточної теорії.
Сама ідея остаточної теорії суперечлива і є в наші дні предметом інтенсивних суперечок. Це протиріччя вже досягло комітетських кабінетів конгресу США: фізика високих енергій стає усе більше дорогою наукою й обіг учених за суспільною підтримкою частково обґрунтовується історичною місією відкриття остаточних законів
Із самого початку в наміри входив виклад тих питань, які виникають у зв'язку із самою ідеєю остаточної теорії як частини інтелектуальної історії нашого часу, розраховане на людей без спеціальної підготовки по фізиці й вищій математиці. Мова йде про ключові ідеї, що лежать в основі сучасних фундаментальних досліджень по фізиці. Але це не підручник по фізиці, і Ви не зустрінете окремих глав, повністю присвячених часткам, взаємодіям, симетріям і струнам. Навпроти, тут уплетені поняття сучасної фізики в обговорення того, що таке остаточна теорія і як ми збираємося неї шукатися
Остаточна теорія
эстетическое насолода від відчуття, що в цьому добутку нічого не можна змінити, що жодна нота й жодне слово
не повинні бути іншими. В «Святому сімействі» Рафаеля розташування кожної фігури зовсім. Може бути, це не
сама улюблена ваша картина, але коли ви на неї дивитеся, у вас не виникає бажання, щоб щось було написано інакше.
Це ж частково вірно (і ніколи не більш, ніж частково вірно) і відносно загальної теорії відносності. Якщо вам
відомі загальні фізичні принципи, прийняті Эйнштейном, ви розумієте, що не існує інший істотно
теорії, що відрізняється, тяжіння, до якої він міг би прийти. Як писав сам Эйнштейн про загальну теорію відносності,
«головною привабливою рисою теорії є її логічна повнота. Якщо хоч один з її висновків виявиться невірним,
теорію варто відкинути; схоже, що підправити її, не зруйнувавши всю структуру, неможливо»102.
Це менш вірно для теорії Ньютона. Ньютон цілком міг припустити, що гравітаційна сила зменшується назад
пропорційно кубу, а не квадрату відстані, якби тільки це відповідало вимогам астрономічних
даних, але Эйнштейн не міг включити у свою теорію закон зворотних кубів, не зруйнувавши її концептуальну основу.
Тому чотирнадцять рівнянь Эйнштейна неминучі й, отже, гарні, чого немає в трьох рівняннях Ньютона.
Думаю, що саме це мав на увазі Эйнштейн, коли
108
говорив, що ліва частина рівнянь тяжіння в загальній теорії відносності, що містить гравітаційне поле,
гарна й начебто вирізана з мармуру, у той час як права частина рівнянь, що описує матерію, усе ще виродлива,
начебто зроблена зі звичайної деревинки. Вся справа в тому, що спосіб включення гравітаційного поля в рівняння
Эйнштейна майже неминучий, але в загальній теорії відносності немає нічого, що пояснювало б, чому матерія входить в
рівняння саме в такому, а не іншому виді.
Те ж відчуття неминучості виникає (знову ж, тільки частково) при розгляді сучасної стандартної
моделі сильних і электрослабых сил, що діють між елементарними частками. Одна загальна властивість надає загальної
теорії відносності й стандартної моделі риси неминучості й простоти: і та, і інша теорії підкоряються
принципам симетрії.
Принцип симетрії - це просте твердження, що щось виглядає однаково з деяких різних точок зору. З
всіх подібних симетрій найпростішої є наближена двостороння симетрія людської особи. Тому що дві
сторони вашої особи мало відрізняються, то воно виглядає однаково, якщо подивитися на нього безпосередньо, або поміняти
місцями ліву й праву сторону, як це відбувається, коли ви дивитеся в дзеркало. Стандартний прийом у кіно - дати
глядачам раптово зрозуміти, що особа актора, на яке ви дивилися, насправді було видно в дзеркалі; враження було
би зіпсовано, якби в людей, як у камбали, обоє ока були б на одній стороні особи, причому завжди на одній і тієї ж.
Деякі речі мають більше розширену симетрію, чим людська особа. Куб виглядає однаково, якщо
дивитися на нього із шести різних напрямків, попарно взаємно перпендикулярних один одному, а також, якщо поміняти
місцями праве й ліве. Ідеальні кристали виглядають однаково, не тільки якщо дивитися на них з різних напрямків,
але і якщо переміщатися усередині кристала в певних напрямках на задану відстань. Сфера виглядає
однаково, якщо дивитися на неї з будь-якого напрямку. Порожній простір виглядає однаково із всіх крапок і уздовж всіх
напрямків.
Подібні симетрії цікавили й розважали художників і вчених протягом багатьох століть, але в науці ці
симетрії не грали особливої ролі. Ми знаємо багато чого про сіль, і той факт, що сіль - це кубічний кристал, що виглядає
однаково із шести різних точок зору, не ставиться до числа найважливіших її властивостей. Немає сумнівів і в тім, що
двостороння симетрія - не саме цікаве, що можна сказати про людську особу. Ті симетрії в природі, які
дійсно важливі, це симетрії не речей, а законів.
Симетрія законів природи - це твердження, що при певній зміні точки зору, з якого
спостерігаються природні явища, виявлені при цьому закони природи не міняються.
109
Такі симетрії часто називають принципами інваріантності. Наприклад, відкриті нами закони природи не міняють
свою форму при зміні орієнтації наших лабораторій; немає різниці в тім, чи вимірюємо ми відстані по напрямку
до півночі, північному сходу, нагору або в будь-якому іншому напрямку. Древнім і середньовічним філософам і вченим це не
було очевидно; адже в повсякденному житті є явна різниця між напрямками нагору, долілиць і по горизонталі.
Тільки після зародження сучасної науки в XVII в. стало ясно, що низ відрізняється від верху або напрямку до півночі
тільки тому, що під нами є більша маса, Земля, а не тому, що (як думав Аристотель) низ і верх є
природними вмістищами важких і легенів речей, відповідно. Зверніть увагу, що ця симетрія не
затверджує, що верх і низ однакові; спостерігачі, що вимірюють відстані долілиць і нагору від поверхні Землі, по-
різному описують події начебто падіння яблука, але при цьому виявляють ті самі закони, подібні до закону
притягання яблука великою масою Землі.
Закони природи виглядають однаково, де б не перебували наші лабораторії; на результатах експериментів не може
позначатися те, де проводяться досвіди, - у Техасі, у Швейцарії або на якій-небудь планеті з іншої сторони нашої
Галактики. Закони природи не міняють свого виду, як би ми не встановили годинники: немає ніякої різниці, чи почнемо ми
відраховувати час від початку першої Олімпіади, від Різдва Христова або від моменту народження Всесвіту. Це аж ніяк
не означає, що із часом ніщо не міняється, або що Техас це та ж саме, що Швейцарія. Твердження
полягає в тім, що закони, виявлені в різні моменти часу й у різних місцях, однакові. Якби таких
симетрій не було, всі наукові дані потрібно було б переробляти в кожній новій лабораторії й у кожний момент
часу.
Будь-який принцип симетрії в той же самий час є й принцип простоти. Якби закони природи розрізняли
напрямку нагору, долілиць або на північ, то в рівняння, що описують ці закони, довелося б увести якісь доповнення,
що дозволяють простежити за орієнтацією наших лабораторій. Відповідно, самі рівняння стали б свідомо більше
складними. Насправді навіть та система позначень, що використовують математики й фізики, для того щоб
рівняння виглядали як можна простіше й компактніше, заснована на припущенні, що всі напрямки в просторі
еквівалентні.
[...]
Початок
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127]