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
Теорія груп, оказавшаяся настільки корисної для фізики, була насправді придумана математиками із причин,
стосовної до сугубо внутрішніх математичних проблем. Поштовх до розвитку теорії груп дав на початку XIX в.
Эварист Галуа у своєму доказі того, що не існує загальних формул для рішення певних алгебраїчних
рівнянь (включающих п'яту або більше високий ступінь невідомої величини)119. Ні Галуа, ні Чи, ні Картан не мали
ні найменшого подання, як можна було б застосувати теорію груп у фізику.
Надзвичайно дивно, що почуття математичної краси завжди приводило математиків до побудови
формальних структур, які виявлялися згодом корисними для фізиків, навіть незважаючи на те, що самі
математики ні про що подібному не помышляли. У широко відомому есе фізика Юджина Вигнера120 це явище так і
називається: «незбагненна ефективність математики». Фізики вважають, що здатність математиків передбачати, які
математичні засоби знадобляться для розвитку фізичних теорій, зовсім фанатастична. Це схоже на те, як
якби Нейл Армстронг, роблячи в 1969 р. перші кроки по поверхні Місяця, побачив би в місячному пилу відбитки чобіт
Жуля Верна.
Так у чому ж знаходить фізик відчуття краси, що допомагає не тільки відкривати теорії, що описують реальний
мир, але й оцінювати справедливість цих теорій, що іноді суперечать існуючої експериментальним даним? І
яким образом почуття математичної краси приводить до побудови структур, які десятиліття через виявляються
корисними для фізиків, незважаючи на те, що самі математики зовсім не цікавляться фізичними додатками?
Мені здається, що є три прийнятних пояснення, два з яких застосовні до більшості розділів науки
взагалі, а третій ставиться саме до найбільш фундаментальних питань фізики. Перше пояснення полягає в тім,
що сам Всесвіт впливає на нас як випадкова, неефективна, але все-таки, якщо взяти великий проміжок часу,
потужна навчальна машина. Точно так само, як у результаті серії випадкових подій атоми вуглецю, азоту, водню й
кисню з'єдналися разом, утворивши примітивні форми життя, які потім еволюціонували в найпростіші
живих істот, риб і людину, так і в наших поглядах на Всесвіт постійно відбувався природний добір ідей.
Переборюючи незліченну безліч фальстартів, ми зуміли вбити собі в голів, що природа влаштована певним
образом, і виросли з думкою, що саме цей пристрій природи прекрасно.
125
Схожим образом, імовірно, кожний з нас пояснив би, чому почуття прекрасного допомагає тренерові вгадати, яка
з коней виграє стрибку. Тренер багато років не залишає іподром, він бачив незліченну безліч як виграли,
так і коней, що програли, і він навчився, навіть не вміючи це виразити словами, зіставляти якісь наочні прикмети з
очікуванням, що саме цей кінь переможе.
Одне із занять, що роблять історію науки нескінченно захоплюючої, полягає в тім, щоб простежити за
повільною зміною наших подань про тип краси, очікуваної в природі. Один раз я пустився в розкопки
оригінальних статей 30-х рр., присвячених першим спробам формулювання принципів внутрішньої симетрії в ядерної
фізиці, тієї симетрії, про яку вище згадувалося як про симетрію між протонами й нейтронами. Моя ціль була в
тім, щоб знайти ту першу статтю, у якій цей принцип симетрії сформульований так, як це робиться в наші дні, т.
е. як фундаментальний самостійний закон ядерної фізики, що не залежить від конкретної теорії ядерних сил. Я не
зміг знайти такої статті. Створилося враження, що в 30-е рр. писати статті, присвячені принципам симетрії,
уважалося дурним тоном. Гарним же тоном уважалося писати статті про ядерні сили. Якщо виявлялося, що сили
мають певну симетрію, тим краще. Так, якщо вам були відомі сили, що діють між протоном і
нейтроном, вам не треба було ворожити, які сили діють між двома протонами. Але сам по собі принцип симетрії не
розглядався, як я вже сказав, як властивість, що обґрунтовує справедливість теорії й робить її гарної.
Принципи симетрії розглядалися як математичні трюки; реальна ж справа фізиків бути в тім, щоб
розробляти динамічну теорію спостережуваних сил.
Зараз часи змінилися. Якщо експериментаторам вдається відкрити якісь нові частки, що утворять ті або інші
сімейства, начебто протон-нейтронного дублета, відразу поштова скринька заповнюється сотнями препринтів теоретичних
статей, що міркують на тему про те, яка ж симетрія визначає структуру цих сімейств. Якщо виявиться новий тип
сил, ми все почнемо міркувати про те, яка ж симетрія визначає існування цієї сили. Очевидно, що ми
змінилися завдяки навчальному впливу природи, що прищепила нам відчуття краси, що отсутствовали в
наших первісних поданнях.
Навіть математики живуть все-таки в реальному світі й відгукуються на його уроки. Протягом двох тисячоріч школярам
викладалася геометрія Евклида як майже ідеальний приклад абстрактного дедуктивного способу мислення. Однак
завдяки загальній теорії відносності ми довідалися в ХХ в., що евклидова геометрія добре працює тільки тому, що
гравітаційне поле на поверхні
126
Землі досить слабко, так що простір, у якому ми живемо, не має помітної кривизни. Формулюючи свої
постулати, Евклид діяв, по-істоті, як фізик, використовуючи свій досвід життя в слабких гравітаційних полях
елліністичної Олександрії для створення теорії нескривленого простору. Він не міг знати, наскільки обмежена й
обумовлена його геометрія. Дійсно, тільки порівняно недавно ми навчилися відрізняти чисту математику від тієї
науки, до якої вона застосовується. Лукасовскую кафедру в Кембриджі займали Ньютона й Дирак, але проте
офіційно вона до цих називається кафедрою математики, а не фізики. Тільки розвиток строгого й абстрактного стилю
математичного мислення121, що сходить до робіт Огюстена Луи Коші й інші математики на початку XIX в., привело до
тому, що ідеалом математиків стало, щоб їхньої роботи були незалежні від досвіду й здорового глузду.
Друга причина, чому ми вважаємо, що успішні фізичні теорії повинні бути гарні, полягає просто в тім,
що вчені прагнуть вибирати для дослідження тільки такі завдання, у яких можна чекати гарних рішень. Точно
такий же стиль міркувань властивий і наш друг - тренерові. Його робота - тренувати коней для того, щоб вони
вигравали перегони; він навчився визначати, яка з коней має більше шансів на виграш, і називає таких
коней гарними; але якщо ви відведете тренера в сторонку й пообіцяєте нікому не передавати те, що він скаже, то він
[...]
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]