Стивен Вайнберг: Мечты об окончательной теории.

Глава VII. Против философии

И я когда-то к магам и святым

Ходил, познанья жаждою томим,

Я им внимал; но уходил всегда

Чрез ту же дверь, как и являлся к ним.

Эдвард Фитцджеральд. Рубайят Омара Хайяма[1]

Физикам так помогают в работе субъективные и зачастую расплывчатые эстетические суждения, что можно было бы рассчитывать и на помощь со стороны философии, из которой в конце концов выросла вся наша наука. Может ли философия стать нашей путеводной нитью на пути к окончательной теории?

Ценность философии для физики в наши дни напоминает мне ценность ранних национальных государств для их народов. Нe будет большим преувеличением сказать, что до введения почтовых служб главной задачей каждого национального государства было защитить свой народ от влияния других национальных государств. Точно так же взгляды философов иногда приносили пользу физикам, но главным образом в негативном смысле, защищая их от предубеждений других философов.

Я не собираюсь доказывать, что лучше всего физика развивается без всяких предубеждений. Всегда есть так много вещей, которые нужно сделать, так много общепринятых принципов, которые могут быть оспорены, что мы не могли бы двигаться вперед, не руководствуясь хоть какими?то предубеждениями. Моя мысль заключается в том, что философские принципы, вообще говоря, не обеспечивают нас правильными предубеждениями. В поисках окончательной теории физики напоминают больше собак, чем орлов: мы носимся, вынюхивая все вокруг в поисках следов красоты, которую надеемся обнаружить в законах природы, но вряд ли мы сумели бы увидеть путь к истине с вершин философии.

Конечно, у каждого физика есть какая?то рабочая философия. Для большинства из нас – это грубый, прямолинейный реализм, т.е. убежденность в объективной реальности понятий, используемых в наших научных теориях. Однако эта убежденность достигается в процессе научных исследований, а не в результате изучения философских трудов.

Все сказанное совсем не означает отрицания ценности философии, основная часть которой не имеет никакого отношения к науке[2]. Более того, я не собираюсь отрицать и ценность философии науки, которая в лучших своих образцах представляется мне приятным комментарием к истории научных открытий. Но не следует ожидать, что философия науки может дать в руки современных ученых какое?то полезное руководство на тему о том, как надо работать или что желательно было бы обнаружить.

Должен признать, что это понимают и многие философы. Потратив три десятилетия на профессиональные исследования в области философии науки, философ Джордж Гейл приходит к выводу, что «все эти почти недоступные простым смертным дискуссии, замешанные на схоластике, могут интересовать только ничтожное число ученых?практиков»[3]. Людвиг Витгенштейн замечает: «Ничто не кажется мне менее вероятным, чем то, что чтение моих трудов может серьезно повлиять на работу какого?то ученого или математика»[4].

Дело здесь не только в интеллектуальной лености ученых. Конечно, очень мучительно прерывать свою работу и заставлять себя выучить новую дисциплину, но, когда требуется, ученые на это способны. Что касается меня, то в разные периоды жизни я вынужден был отрывать время от своих основных занятий, чтобы выучить самые разные вещи, в которых возникала необходимость – от дифференциальной топологии до системы MS DOS. Дело все в том, что не видно, где физик может использовать знание философии, не считая тех случаев, когда изучение работ отдельных философов помогает нам избежать ошибок, совершенных другими философами.

Делая такой вывод, я должен честно признать свою ограниченность и пристрастность. Разочарование пришло после нескольких лет увлеченных занятий философией на младших курсах университета. Взгляды философов, которые я изучал, постепенно начали казаться мне расплывчатыми и непродуктивными по сравнению с поражающими воображение успехами математики и физики. С тех пор время от времени я пытался разобраться в текущей литературе по философии науки. Некоторые работы казались мне написанными на непреодолимо сложном жаргоне[5]. Единственное, что оставалось думать, что цель этих работ – произвести впечатление на тех, кто путает неясность изложения с его глубиной. Некоторые же работы были написаны прекрасно и представляли собой хорошее, даже глубокое чтение, к примеру сочинения Людвига Витгенштейна или Пола Фейерабенда. Но лишь в редчайших случаях мне казалось, что это имеет хоть какое?то отношение к тем научным занятиям, которые были мне известны[6]. Согласно Фейерабенду, понятие научного объяснения, разработанное рядом философов науки, столь узко, что невозможно говорить, что какая?то теория объясняется другой теорией[7]. Эта точка зрения оставляет мое поколение физиков, занимающихся частицами, без работы.

Читателю (особенно, если он – профессиональный философ) может показаться, что ученый вроде меня, который настолько не в ладах с философией науки, должен деликатно обходить эту тему и предоставить право судить экспертам. Я знаю, как относятся философы к любительским философским потугам ученых. Но я стремлюсь здесь изложить точку зрения не философа, а рядового специалиста, неиспорченного работающего ученого, который не видит в профессиональной философии никакой пользы. Не я один разделяю такие взгляды – мне не известен ни один  ученый, сделавший заметный вклад в развитие физики в послевоенный период, работе которого существенно помогли бы труды философов. В предыдущей главе я упоминал о том, что Вигнер назвал «непостижимой эффективностью»  математики. Здесь я хочу указать на другое в равной степени удивительное явление – непостижимую неэффективность  философии.

Даже если в прошлом философские доктрины и оказывали какое?то полезное воздействие на ученых, влияние этих доктрин затягивалось на слишком долгое время, принося в конце концов тем больше проблем, чем дольше эти доктрины оставались в употреблении. Рассмотрим, например, почтенную доктрину механицизма, т.е. идею, что явления природы сводятся к соударениям и давлению материальных частиц или жидкостей. В древности трудно было придумать что?либо более прогрессивное. С того самого времени, как досократики Демокрит и Левкипп начали рассуждать об атомах, идея, что явления природы имеют механическую причину, противостояла популярным верованиям в богов и демонов. Эпикур, основоположник эллинизма, специально ввел в свою систему взглядов механистическое мировоззрение как противоядие против веры в богов?олимпийцев. Когда в 1630?е гг. Рене Декарт попробовал осуществить великую попытку объяснить мир в рамках рациональных понятий, он, естественно, должен был описывать физические силы вроде тяготения механистически, с помощью вихрей в материальной субстанции, заполняющей все пространство. «Механистическая философия» Декарта оказала сильное влияние на Ньютона, и не потому, что она была правильна (Декарту, по?видимому, не приходила в голову столь понятная в наши дни идея о количественной проверке теорий), а потому, что давала пример механической теории, которая может иметь смысл сама по себе, вне зависимости от согласия с природными явлениями. Механицизм достиг пика своего развития в XIX в. после блистательных объяснений химических и тепловых явлений с помощью гипотезы об атомах. Даже в наши дни многим кажется, что механицизм есть просто логическая противоположность предрассудкам. В истории человеческой мысли механистическое мировоззрение сыграло несомненно героическую роль.

Но в этом как раз и состоит проблема. В науке, как в политике или экономике, большую опасность представляют идеи, пережившие эпоху своей полезности. Героическое прошлое механицизма так подняло его престиж, что последователям Декарта было очень трудно принять ньютоновскую теорию Солнечной системы. Как мог порядочный картезианец, уверовавший в то, что все явления природы могут быть сведены к непосредственному влиянию материальных тел или жидкостей друг на друга, принять точку зрения Ньютона, согласно которой Солнце действует на Землю с определенной силой сквозь 150 000 000 километров пустого пространства? Только в XVIII в. европейские философы начали свыкаться с идеей действия на расстоянии. В конце концов, начиная с 1720 г., ньютоновские идеи возобладали в европейских странах, сначала в Англии, а затем в Голландии, Италии, Франции и Германии[8] (именно в таком порядке). Отчасти это произошло в результате влияния таких философов, как Вольтер и Кант. Но и здесь мы видим, что роль философии была негативной: она помогла освободить науку от пут самой философии.

Даже после триумфа ньютонианства механистическая традиция продолжала плодоносить в физике. Теории электрического и магнитного полей, разработанные в XIX в. Майклом Фарадеем и Джеймсом Клерком Максвеллом, были обрамлены в механистическую форму и изложены с помощью понятия о напряжениях во всепроницающей физической среде, часто называемой эфиром. Физики XIX в. вели себя совсем не глупо – чтобы продвигаться вперед, любой физик нуждается в каком?то качественном мировоззрении, а механистическое мировоззрение казалось в те годы ничем не хуже других взглядов. К сожалению, это мировоззрение продержалось слишком долго.

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

Кроме того, механицизм распространился за пределы науки и прижился там, принеся позднее много неприятностей ученым. В XIX в. героическая традиция механицизма была, к сожалению, включена в систему диалектического материализма Маркса и Энгельса и их последователей. Ленин, находясь в эмиграции, написал в 1908 г. напыщенную книгу о материализме, и хотя для него эта книга была главным образом средством борьбы с другими революционерами, цитаты из нее стали священным писанием для его последователей, так что некоторое время диалектический материализм стоял на пути признания общей теории относительности в Советском Союзе. Еще в 1961 г. выдающийся русский физик Владимир Фок вынужден был защищать себя от нападок философов?ортодоксов. Предисловие к его монографии «Теория пространства, времени и тяготения» содержит примечательное высказывание: «Философская сторона наших взглядов на теорию пространства, времени и тяготения сформировалась под влиянием философии диалектического материализма, в частности под влиянием труда Ленина “Материализм и эмпириокритицизм”».

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

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

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

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

Такая оголтелая метафизика вышла на поверхность особенно в дискуссиях о происхождении Вселенной. Согласно стандартной теории Большого взрыва, Вселенная возникла в состоянии бесконечно большой температуры и плотности около десяти–пятнадцати миллиардов лет тому назад. Каждый раз, когда я рассказывал о теории Большого взрыва и дело доходило до вопросов и ответов, кто?нибудь в аудитории обязательно начинал доказывать, что идея начала абсурдна: какой бы момент времени мы ни назвали началом, всегда должен быть момент перед этим. Я всегда пытался объяснять, что это необязательно должно быть так. Например, мы знаем из нашего повседневного опыта, что как бы холодно ни было, всегда может быть еще холоднее, но все?таки существует такое понятие, как абсолютный нуль температуры. Мы не можем достичь температуры ниже абсолютного нуля не потому, что недостаточно умны, а потому, что температура ниже абсолютного нуля просто не имеет смысла. Стивен Хокинг предложил, может быть, еще лучшую аналогию: вполне имеет смысл вопрос о том, что находится севернее Остина, Кембриджа или любого другого города, но не имеет смысла вопрос о том, что находится севернее Северного полюса. Блаженный Августин в «Откровении» вступил в ставшую знаменитой схватку с этой проблемой и пришел к выводу, что вопрос о том, что было перед тем, как Бог создал Вселенную, неверен, так как Бог, сам находящийся вне времени, создал время вместе с самой Вселенной. Такой же точки зрения придерживался Моисей Маймонид.

Должен признать, что на самом деле мы не знаем, началась ли Вселенная в строго определенный момент времени в прошлом. Андрей Линде и другие космологи[9] предложили недавно ряд приемлемых теорий, в которых наша расширяющаяся Вселенная является лишь крохотным пузырьком в бесконечно старой Мегавселенной, в которой происходит вечное рождение и размножение таких пузырьков. Я не буду здесь пытаться доказывать, что наша Вселенная несомненно имеет конечный возраст. Я хочу лишь подчеркнуть, что используя только силу чистого разума, нельзя утверждать, что такое невозможно.

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

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

Фигурой, чаще всего ассоциируемой с введением позитивизма в физику, является Эрнст Мах, венский физик и философ конца XIX в. Для него позитивизм был как бы противоядием от метафизики Иммануила Канта. Эйнштейновская статья 1905 г. по специальной теории относительности несет следы очевидного влияния Маха: в ней полно наблюдателей, измеряющих расстояния и времена с помощью линеек, часов и лучей света. Позитивизм помог Эйнштейну избавиться от представления, что утверждение об одновременности двух событий имеет абсолютный смысл. Он убедился, что ни одно измерение не может дать критерий одновременности, одинаковый для всех наблюдателей. Сосредоточенность на том, что реально может быть наблюдено, и составляет суть позитивизма. Эйнштейн высказал Маху свою признательность: в письме к нему несколькими годами спустя он назвал себя «Ваш преданный ученик»[10]. После Первой мировой войны позитивизм получил дальнейшее развитие в трудах Рудольфа Карнапа и членов Венского кружка философов, поставивших целью перестроить науку в соответствии с философски удовлетворительными представлениями. Они во многом преуспели в очистке науки от метафизического хлама.

Позитивизм сыграл также важную роль при зарождении современной квантовой механики. Выдающаяся первая статья Гейзенберга 1925 г.[11] начинается с наблюдения, что «как хорошо известно, формальные правила, использованные [в работе Н. Бора в 1913 г.] для вычисления наблюдаемых величин, таких как энергия атома водорода, могут быть подвергнуты серьезной критике на том основании, что они содержат в качестве основных элементов соотношения между величинами, которые по?видимому в принципе не наблюдаемы, например положением и скоростью обращения электрона». В духе позитивизма Гейзенберг включил в свой вариант квантовой механики только наблюдаемые, например скорость, с которой атом может спонтанно совершать переход из одного состояния в другое, испуская или поглощая квант излучения. Соотношение неопределенностей, являющееся одной из фундаментальных основ вероятностной интерпретации квантовой механики, основано на сделанном Гейзенбергом позитивистском анализе ограничений, с которыми мы сталкиваемся, пытаясь одновременно наблюдать положение частицы и ее импульс.

Несмотря на ценность позитивизма для Эйнштейна и Гейзенберга, он все же принес столько же плохого, сколько хорошего. Тем не менее, в противоположность механистическому мировоззрению, позитивизм сохранил героическую ауру, так что он еще принесет много неприятностей в будущем. Джордж Гейл даже возлагает именно на позитивизм ответственность за теперешнее отчуждение между физиками и философами[12].

Позитивизм стал основой оппозиции атомной теории в начале ХХ в. В XIX в. были блистательно возрождены старые идеи Демокрита и Левкиппа о том, что все вещество состоит из атомов. Джон Дальтон, Амадео Авогадро и их последователи объяснили на основе атомной теории правила химии, свойства газов и природу теплоты. Атомная теория стала частью общепринятого языка физики и химии. Однако позитивисты во главе с Махом рассматривали это как отступление от истинных процедур научного исследования, поскольку никакая техника, которую только можно было в те времена вообразить, не позволяла наблюдать атомы непосредственно. Позитивисты декларировали, что ученые должны сосредоточиться на сообщении результатов наблюдений, например, что при соединении двух объемных частей водорода с одной объемной частью кислорода образуется водяной пар, но не должны забивать головы метафизическими рассуждениями, будто это происходит потому, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, так как никто не может наблюдать эти атомы или молекулы. Сам Мах так никогда и не смирился с существованием атомов. Уже в 1910 г., когда атомизм был принят практически всеми, Мах, в полемике с Планком, писал, что «если вера в реальность атомов является столь критической, тогда я отказываюсь от физического образа мышления. В этом случае я не могу оставаться физиком?профессионалом и отказываюсь от своей научной репутации»[13].

Сопротивление атомизму имело особенно печальные последствия в случае с задержкой признания статистической механики, редукционистской теории, в которой теплота интерпретируется с помощью статистического распределения энергий частей любой системы. Развитие этой теории в трудах Максвелла, Больцмана, Гиббса и др. было одним из триумфов науки XIX в., так что отрицая ее, позитивисты совершили самую худшую из возможных ошибок, какую только может сделать ученый: не заметить успеха, когда он случается.

Позитивизм причинил неприятности и в менее известных случаях. Знаменитый опыт, поставленный Дж.Дж. Томсоном, считается большинством людей опытом по открытию электрона. (Томсон был преемником Максвелла и Рэлея в качестве Кавендишевского профессора в Кембриджском университете.) В течение ряда лет физики были озадачены таинственным явлением катодных лучей, которые испускаются, когда металлическая пластинка, помещенная в откачанную стеклянную трубку, подключается к отрицательному полюсу мощной электрической батареи. Эти лучи проявляются в виде светящегося пятна, оставляемого на противоположной стороне трубки. Кинескопы – экраны современных телевизоров – представляют собой не что иное, как катодные трубки, в которых интенсивность катодных лучей управляется сигналами, посылаемыми с телевизионных станций. Когда в XIX в. катодные лучи были впервые обнаружены, никто не знал, что они собой представляют. Затем Томсон измерил, как отклоняются катодные лучи электрическим и магнитным полями, проходя внутри трубки. Оказалось, что величина отклонения траектории этих лучей от прямолинейной согласуется с гипотезой, что лучи состоят из частиц, переносящих определенную величину электрического заряда, имеющих определенную массу и совершенно одинаковое отношение величины массы к величине заряда. Поскольку масса частиц оказалась намного меньше массы атомов, Томсон пришел к выводу, что эти частицы являются фундаментальными составными частями атомов и носителями электрического заряда во всех электрических токах, будь то в атомах, катодных трубках или проводниках. За это открытие Томсон объявил себя, а затем то же повсеместно сделали и историки, открывателем новой формы материи, частицы, для которой он выбрал имя, уже бывшее в ходу в теории электролиза, а именно электрон.

Однако точно такой же опыт был сделан примерно в то же время в Берлине Вальтером Кауфманном. Главное отличие эксперимента Кауфманна от эксперимента Томсона заключалось в том, что у Кауфманна он был лучше. Как мы сегодня знаем, результат для отношения заряда электрона к его массе был у Кауфманна более точным, чем у Томсона. Но, тем не менее, Кауфманн никогда не упоминается как открыватель электрона, так как он не думал, что открыл новую частицу. Томсон работал в рамках английских традиций, восходящих к Ньютону, Дальтону и Прауту, где были приняты рассуждения об атомах и их составных частях. Кауфманн же был позитивистом[14]; он не верил в то, что занятием физиков могут быть рассуждения о вещах, которые они не могут наблюдать. Поэтому Кауфманн не сообщил об открытии нового сорта частиц, а сообщил, что нечто, чем бы оно ни было, пролетая внутри катодной трубки, проносит определенное отношение заряда к массе.

Мораль этой истории не только в том, что увлечение позитивизмом испортило карьеру Кауфманна. Томсон, увлекаемый верой в то, что он открыл фундаментальную частицу, продолжал работать и поставил несколько других экспериментов для определения свойств этой частицы. Он обнаружил свидетельства того, что частицы с тем же отношением заряда к массе испускаются при радиоактивном распаде, и провел первые измерения заряда электрона. Вместе с предыдущим измерением отношения заряда к массе, это измерение позволило установить массу электрона. Именно совокупность всех этих экспериментов и дает право называть Томсона открывателем электрона, но он, вероятно, никогда не стал бы их делать, если бы не отнесся всерьез к идее о частице, которую в то время невозможно было непосредственно наблюдать.

В ретроспективе позитивизм Кауфманна и других оппонентов атомизма кажется не только тормозившим развитие, но и наивным. Что, в конце концов, означает, что мы что?то наблюдаем? Строго говоря, Кауфманн даже не наблюдал отклонения катодных лучей в данном магнитном поле; он всего лишь измерял изменение положения светящегося пятна на противоположной стороне вакуумной трубки, вызванного тем, что вокруг куска железа, поднесенного к трубке, была несколько раз обмотана проволока, подключенная к электрической батарее, а затем использовал принятую теорию для интерпретации увиденного в терминах траектории луча и магнитных полей. Если быть совсем точным, он не делал и этого; на самом деле, он использовал определенные зрительные и тактильные ощущения, которые затем интерпретировал как светящиеся пятна, проволоку и батарею. Уже давно среди историков науки стало общепринятым, что никакое наблюдение не может быть свободным от теории[15].

Считается, что окончательная капитуляция антиатомизма произошла в 1908 г. после заявления химика Вильгельма Оствальда в очередном издании его «Очерков общей химии»: «Теперь я убежден, что недавно мы получили экспериментальные свидетельства дискретной или зернистой структуры вещества, которые тщетно искали приверженцы атомной гипотезы в течение сотен и тысяч лет». Те экспериментальные свидетельства, которые имел в виду Оствальд, заключались в измерениях молекулярного вклада в так называемом броуновском движении крохотных частиц, взвешенных в жидкости, а также в измерении Томсоном заряда электрона. Если теперь осознать, насколько перегружены теорией все экспериментальные данные, то становится очевидным, что еще в XIX в. все успехи атомной теории в химии и статистической механике подтверждали наблюдение атомов.

Гейзенберг отмечал, что сам Эйнштейн пересмотрел свое отношение к позитивизму, ощутимому в начальной формулировке теории относительности. В прочитанной в 1974 г. лекции Гейзенберг вспоминает беседу с Эйнштейном в Берлине в начале 1926 г.:

«Я заметил Эйнштейну, что мы на самом деле не можем наблюдать такую траекторию [электрона в атоме]; реально мы наблюдаем лишь частоты света, испущенного атомом, интенсивности и вероятности переходов, а не сами траектории. Поскольку кажется рациональным вводить в теорию только такие величины, которые могут быть непосредственно обнаружены, понятие траекторий электрона не должно фигурировать в теории. К моему изумлению, этот аргумент совершенно не убедил Эйнштейна. Он полагал, что всякая теория содержит на самом деле ненаблюдаемые величины. Принцип использования только наблюдаемых величин просто невозможно непротиворечиво соблюсти. И когда я возразил на это, что я просто использую ту же философию, что и он при формулировке основ специальной теории относительности, Эйнштейн ответил на это: “Может быть, раньше я и пользовался этой философией, и даже писал так, но все равно это глупость”»[16].

Еще раньше, в парижской лекции 1922 г., Эйнштейн отозвался о Махе как о «хорошем механике», но «жалком философе»[17].

Несмотря на победу атомизма и отречение Эйнштейна тема позитивизма время от времени всплывает в физике ХХ в. Позитивистская сосредоточенность на наблюдаемых, типа координат и импульсов частиц, стояла на пути «реалистической» интерпретации квантовой механики, в которой волновая функция представляет физическую реальность. Позитивизм также внес лепту в запутывание проблемы бесконечностей. Как мы видели, Оппенгеймер в 1930 г. заметил, что теория фотонов и электронов, известная как квантовая электродинамика, приводит к абсурдному результату, что испускание или поглощение фотонов электронами в атоме придает ему бесконечную энергию. Проблема бесконечностей беспокоила теоретиков в 30?е и 40?е гг., и в результате было высказано общее предположение, что квантовая электродинамика просто становится неприменимой для электронов и фотонов очень больших энергий. Значительная доля этого страха перед квантовой электродинамикой была связана с позитивистским ощущением вины: некоторые теоретики боялись, что говоря о значениях электрического и магнитного полей в той точке пространства, где находится электрон, они совершают грех, вводя в физику принципиально ненаблюдаемые элементы. Это было верно, но только тормозило открытие реального решения проблемы бесконечностей, заключающееся в том, что они сокращаются, если позаботиться об аккуратном определении массы и заряда электрона.

Позитивизм сыграл также ключевую роль в борьбе против квантовой теории поля, которую вел в 1960 г. в Беркли Джеффри Чу. Для Чу главным объектом в физике была S ?матрица, таблица, в клетках которой стоят вероятности всех возможных результатов для всех возможных процессов соударения частиц. S ?матрица содержит в себе все, что можно реально наблюдать, изучая реакции с любым числом частиц. Теория S ?матрицы восходит к работам Гейзенберга и Джона Уилера в 30?х и 40?х гг. (S  происходит от первой буквы немецкого слова Streuung , т.е. рассеяние), но Чу и его сотрудники использовали новые идеи относительно того, как вычислять S ?матрицу без введения каких бы то ни было ненаблюдаемых элементов вроде квантовых полей. В конце концов эта программа провалилась[18], отчасти потому, что просто оказалось слишком сложно вычислять S ?матрицу таким способом. Но прежде всего провал был обусловлен тем, что путь прогресса в понимании слабых и сильных ядерных сил оказался связанным с теми самыми квантовыми теориями полей, которые Чу пытался отвергнуть.

Однако самое драматическое отрицание принципов позитивизма связано с развитием современной теории кварков. В начале 60?х гг. Мюррей Гелл?Манн и Джордж Цвейг независимо попытались упростить невероятно сложный зоопарк частиц, известных к тому времени. Они предположили, что почти все эти частицы состоят из нескольких простых (и еще более элементарных) частиц, которые Гелл?Манн назвал кварками . Поначалу эта идея казалась совершенно не выходящей за рамки обычного для физиков способа мышления – в конце концов, это был еще один шаг по пути, указанном еще Левкиппом и Демокритом и заключающемся в том, чтобы объяснять сложные структуры с помощью более простых меньших по размеру составляющих. Картина кварков была применена в 60?е гг. к огромному количеству физических задач, связанных с протонами, нейтронами, мезонами и другими частицами, предположительно состоящими из кварков, и во всех случаях привела к хорошим результатам. Однако все попытки экспериментаторов в 60?е и начале 70?х гг. вытащить кварки из тех частиц, в которых они предположительно содержатся, полностью провалились. Это выглядело ненормально. Еще с тех пор, как Томсон вырвал электроны из атомов в катодно?лучевой трубке, всегда удавалось разбить любую составную систему вроде молекулы, атома или ядра на отдельные частицы, из которых она состоит. Почему же было невозможно выделить свободные кварки?

Картина кварков обрела смысл с развитием в начале 70?х гг. квантовой хромодинамики, современной теории сильных ядерных сил, в рамках которой запрещен любой процесс, в котором может быть выделен свободный кварк. Прорыв произошел в 1973 г., после того, как независимые вычисления Дэвида Гросса и Фрэнка Вильчека из Принстона и Дэвида Политцера из Гарварда показали, что квантовые теории определенного типа[19] обладают удивительным свойством «асимптотической свободы»: все силы, действующие между частицами, уменьшаются с ростом энергии[20]. Как раз такое уменьшение сил и наблюдалось еще в 1967 г. в опытах по рассеянию частиц при высоких энергиях[21], но в 1973 г. впервые было показано, что могут существовать теории, в которых силы ведут себя подобным образом. Этот успех быстро привел к тому, что одна из таких квантовых теорий поля – теория кварков и глюонов, получившая название квантовой хромодинамики , была признана правильной теорией сильных взаимодействий.

Первоначально считалось, что в процессах соударения элементарных частиц нельзя наблюдать глюоны, так как они очень тяжелые, и попросту не хватает энергии для рождения частиц столь большой массы. Вскоре после открытия явления асимптотической свободы некоторые теоретики предположили[22], что глюоны наоборот вообще не имеют массы, как фотоны. Если это так, то факт ненаблюдения глюонов и кварков в свободном состоянии можно объяснить тем, что обмен безмассовыми глюонами между кварками и самими глюонами порождает дальнодействующие силы, не позволяющие в принципе оторвать кварки или глюоны друг от друга. Сейчас принято считать[23], что если вы попытаетесь разбить на составные части, например, мезон (частицу, состоящую из кварка и антикварка), то требующаяся для этого сила возрастает при удалении кварка и антикварка все дальше друг от друга, до тех пор пока в конце концов вам не потребуется затрачивать на это разъединение такое количество энергии, которого будет достаточно для рождения новой кварк?антикварковой пары. В результате родившийся из вакуума антикварк подсоединяется к первоначальному кварку, а кварк из вакуума – к антикварку, так что вместо свободных кварка и антикварка вы получаете две кварк?антикварковых пары, т.е. опять два мезона. Часто используется такой образ: разделение кварков напоминает попытку разделить два конца куска упругой струны. Вы тянете, тянете струну, так что в конце концов, когда прилагаемое вами усилие станет достаточным, струна рвется, но при этом вы все равно не получаете два изолированных конца струны, а получаете две струны поменьше с двумя концами у каждой. Гипотеза, что кварки и глюоны никогда нельзя в принципе наблюдать изолированно друг от друга, стала частью общепринятой системы взглядов в современной физике элементарных частиц[24], и тем не менее это нисколько не мешает нам описывать протоны, нейтроны и мезоны состоящими из кварков. Мне трудно представить что?либо, что вызвало бы большее отвращение у Эрнста Маха.

Теория кварков была лишь одной ступенью в непрерывном процессе переформулировки физической теории с помощью понятий, все более фундаментальных и, одновременно, все более далеких от повседневного опыта. Как же можно рассчитывать создать теорию, основанную только на наблюдаемых величинах, если ни одно из привычных нам понятий, возможно, что даже такие понятия, как пространство и время, не входят в число фундаментальных понятий наших теорий? Мне кажется совершенно невероятным, что позитивистский подход может быть полезным в будущем.

Метафизика и эпистемология по крайней мере старались играть конструктивную роль в науке. Не так давно наука подверглась атаке со стороны недружественных комментаторов, объединившихся под знаменем релятивизма. Философы?релятивисты отрицают стремление науки к открытию объективной истины[25]; они рассматривают ее всего лишь как еще одно социальное явление, не более фундаментальное, чем культ плодородия или шаманство.

Философский релятивизм частично уходит корнями в сделанное философами и историками науки открытие, что в процессе признания научных идей очень много субъективизма. Мы уже обсуждали ту роль, которую играют эстетические суждения в признании или отрицании новых физических теорий. Для ученых все это давно известно (хотя философы и историки науки пишут иногда так, как будто мы слышим об этом в первый раз). В знаменитой книге «Структура научных революций»[26] Томас Кун сделал следующий шаг и попытался доказать, что во время научных революций те понятия (или парадигмы ), с помощью которых ученые оценивают теории, сами меняются, так что новые теории просто нельзя судить по дореволюционным стандартам. Многое в книге Куна полностью соответствует моему собственному опыту в науке. Но в последней главе Кун упорно атаковал ту точку зрения, что развитие науки приближает нас к объективной истине: «Мы можем, точнее говоря, должны отказаться от представления, явного или неявного, что изменения парадигмы приближают ученых и их последователей все ближе и ближе к истине». Позднее книга Куна, кажется, стала читаться (или, по крайней мере, цитироваться) как манифест общей атаки на предполагаемую объективность научного знания.

Кроме того, начиная с работы Роберта Мертона, в 30?е гг. усилилась тенденция со стороны антропологов и социологов рассматривать занятия наукой (или, по крайней мере, наукой, отличной от социологии и антропологии) теми же методами, которые используются для исследования других социальных явлений. Конечно, наука является  социальным явлением, со своей системой ценностей, снобистскими замашками, интересными методами совместной деятельности и подчинения. Так, Шарон Тревик провела годы в обществе экспериментаторов, занимавшихся физикой элементарных частиц, в Стэнфордском ускорительном центре и лаборатории КЕК в Японии и описала то, что она видела, с точки зрения антрополога. Эта ветвь большой науки является естественным полем для изучения антропологами и социологами, так как ученые, с одной стороны, придерживаются древней традиции, поощряющей личную инициативу, и, с другой стороны, вынуждены при проведении современных экспериментов работать вместе в командах, насчитывающих сотни человек. Как теоретику мне не приходилось работать в подобных группах, но многие другие наблюдения Тревик, содержат, по?моему, много верного, например:

«Физики рассматривают себя членами элитарной группы, членство в которой определяется только личными научными заслугами. При этом предполагается, что все имели честный старт. Принадлежность к группе подчеркивается крайней непринужденностью в одежде, одинаковым видом кабинетов и обращением друг к другу по именам. Индивидуализм и соревнование считаются допустимыми и эффективными: иерархия в сообществе строится как меритократия[27], производящая хорошую физику. Однако американские физики подчеркивают, что наука недемократична: решения, касающиеся целей научной деятельности, не должны приниматься большинством голосов сообщества и не должно быть равного доступа для всех к ресурсам лабораторий. Большинство японских физиков придерживаются по этим пунктам противоположного мнения…»[28]

Во время подобных исследований антропологи и социологи обнаружили, что даже процесс изменений в научной теории является общественным делом. В одном из недавних обзоров отмечалось, что «научные истины, по существу, являются широко цитируемыми общественными соглашениями относительно того, что представляет собой “действительность”, возникающими в результате “научного процесса” переговоров»[29]. Наблюдения за учеными в процессе работы позволили французскому философу Бруно Латуру и английскому социологу Стиву Булгару заметить, что «переговоры относительно того, что считать доказательством, или что является хорошим экспериментом, столь же беспорядочны, как и любой спор между судейскими или политиками».

Казалось бы, остается всего лишь один шаг от этих полезных исторических и социологических наблюдений до радикальной точки зрения, что конкретное содержание общепринятых научных теорий определяется общественной и исторической обстановкой, в которой данная теория развивалась. (Развитие именно такой точки зрения иногда называют программой?максимум социологии науки.) Эта атака на объективность научного знания проявилась даже в заголовке книги Эндрю Пикеринга «Создание кварков»[30]. В заключительной главе он приходит к выводу: «Если учесть огромную тренировку физиков, занимающихся элементарными частицами, в применении сложной математической техники, то преобладание математики в их описании реальности не сложнее объяснить, чем пристрастие народа к своему родному языку. Точка зрения, которая отстаивается в этой главе, заключается в том, что при развитии взглядов на окружающий нас мир никто не обязан принимать во внимание то, что говорит наука двадцатого века». Пикеринг детально описывает большие изменения в направлении развития экспериментальной физики высоких энергий, произошедшие в конце 60?х – начале 70?х гг. Вместо здравого подхода (термин Пикеринга), заключавшегося в том, чтобы сосредоточить усилия на самых заметных явлениях в столкновениях частиц высоких энергий (например, фрагментация частиц на большое число других частиц, летящих в основном в направлении первичного пучка), экспериментаторы начали проводить предложенные теоретиками опыты по поиску редких событий, например таких, когда какая?то частица большой энергии летит после соударения под большим углом к направлению первичного пучка.

Действительно, в физике высоких энергий в те годы произошла смена приоритетов, во многом правильно описанная Пикерингом, но она диктовалась исторической миссией физики. Протон состоит из трех кварков, окруженных облаком непрерывно возникающих и пропадающих глюонов и кварк?антикварковых пар. В большинстве соударений между протонами энергия начальных частиц уходит на общее перемешивание этих облаков, напоминающее результат столкновения двух грузовиков с мусором. Такие соударения крайне интересны, но они слишком сложны, так что современная теория кварков и глюонов не позволяет нам рассчитать их результаты. Таким образом, они неинтересны с точки зрения проверки этой теории. Однако изредка кварк или глюон в одном из протонов испытывает лобовое соударение с кварком или глюоном из другого, так что их энергии оказывается достаточно на то, чтобы выбить кварк или глюон большой энергии из области соударения. Вероятность этого процесса мы можем вычислить. В подобном соударении могут рождаться и новые частицы, например W  и Z  – переносчики слабых ядерных сил. Их изучение необходимо для лучшего понимания объединения слабых и электромагнитных взаимодействий. Именно для детектирования таких редких событий и планируются сегодня все эксперименты. И все же Пикеринг, который, насколько я могу судить, понимает теоретическое обоснование этих действий очень хорошо, продолжает описывать смену акцентов в физике высоких энергий просто как смену моды[31], вроде перехода от импрессионизма к кубизму или от коротких юбок к длинным.

Переход от очевидного наблюдения, что наука является социальным явлением, к выводу, что окончательный продукт науки – наши теории – такие, какие они есть, из?за воздействия общественных или исторических сил, представляется просто логической ошибкой. Группа альпинистов может долго спорить о лучшем маршруте на вершину, причем эти споры могут быть связаны с историческими причинами и социальным составом группы, но в конце концов хороший маршрут либо бывает найден, либо нет, и когда альпинисты взбираются на вершину, они могут точно ответить на этот вопрос. (Никто не издаст книгу об альпинизме с названием «Создание Эвереста».) Я не могу доказать, что с наукой все обстоит точно так же, но весь мой опыт ученого говорит об этом. «Переговоры» об изменениях в научных теориях продолжаются, ученые снова и снова меняют свою точку зрения в ответ на вычисления и эксперименты, пока тот или иной взгляд не обнаруживает несомненные следы объективного успеха. Я определенно чувствую, что мы обнаруживаем в физике что?то реальное, нечто, существующее независимо от тех социальных и исторических условий, которые позволили нам это открыть.

Где же тогда истоки безудержной атаки на объективность научного знания? Думаю, что один из источников – старое пугало позитивизма, на этот раз используемое для изучения самой науки. Если кто?то отказывается обсуждать то, что непосредственно не наблюдается, тогда и нельзя серьезно относиться к квантовым теориям полей, принципам симметрии или, вообще, к законам природы. То, что могут  наблюдать философы, социологи и антропологи, – это реальное поведение живых ученых, а такое поведение никогда не удается описать с помощью общих законов. Напротив, желанной, хотя и ускользающей целью ученых является прямая проверка научных теорий, и, когда это удается, ученые убеждаются в реальности этих теорий.

Возможна и другая причина атаки на реализм и объективность науки, значительно менее возвышенная. Представьте, что вы – антрополог, изучающий культ грузовых самолетов на одном из островов Тихого океана. Островитяне верят, что они могут приманить грузовой самолет, доставлявший им во время Второй мировой войны кучу замечательных вещей, обеспечивших их процветание. Для этого они сооружают деревянные постройки, имитирующие радарные установки и радиоантенны. Вполне соответствовало бы природе человека, если бы этот антрополог и другие социологи и антропологи в аналогичных обстоятельствах чувствовали бы свое превосходство. Ведь в противоположность объектам их изучения они?то знали бы, что эти верования не основаны на объективной реальности – никакой С?47 с грузом не привлечь деревянными радарами. Так разве было бы удивительно, если бы антропологи и социологи, обратившись к исследованию работы ученых, попытались бы воссоздать этот восхитительный дух превосходства, отрицая объективную реальность научных открытий?

Релятивизм – это только одна из сторон более широкой и радикальной атаки на саму науку[32]. Фейерабенд призвал к формальному отделению науки от общества[33], вроде отделения церкви от государства, считая, что «наука есть просто одна из многих идеологий, движущих общество вперед, и так ее и следует рассматривать». Философ Сандра Хардинг пишет, что «физика, химия, математика и логика несут на себе следы их конкретных создателей не меньше, чем антропология или история»[34]. Теодор Рожак настаивает, что мы должны изменить «фундаментальное ощущение научного мышления… даже если для этого придется решительно пересмотреть профессиональный характер науки и ее место в нашей культуре»[35].

Похоже, что все эти радикальные критики науки мало влияют, если вообще влияют, на самих ученых. Мне неизвестен ни один работающий ученый, который воспринимает этих философов всерьез[36]. Та опасность, которую они несут науке, связана с их возможным влиянием на тех, кто сам не участвует в научной деятельности, но от кого мы все зависим, особенно на тех, кто финансирует науку, а также на новое поколение ученых. Недавно журнал Nature  процитировал британского правительственного чиновника[37], занимающегося вопросами гражданской науки и одобрительно отозвавшегося о книге Брайана Эпплъярда[38], в которой обосновывается тезис, что наука враждебна человеческому духу.

Я подозреваю, что близок к истине Джеральд Холтон, который рассматривает решительную атаку на науку как один из симптомов более широкой враждебности к западной цивилизации, ожесточившей сердца многих западных интеллектуалов, начиная с Освальда Шпенглера[39]. Современная наука является очевидной мишенью: ведь многие цивилизации породили великие произведения искусства и литературы, но со времен Галилея научные исследования практически полностью определяются Западом.

Мне кажется, что совершается трагическая ошибка и эта враждебность направлена не в ту сторону. Даже самые чудовищные применения западной науки, например ядерное оружие, представляют всего лишь еще один пример бесчисленных попыток человечества разрушить само себя, каким бы оружием это не совершалось. Кладя на другую чашу весов все мирные применения науки и ее роль в освобождении человеческого духа, я все же считаю, что современная наука, наряду с демократией и законами контрапункта в музыке, есть подарок Запада миру и мы вправе этим гордиться.

В конце концов это различие исчезнет. Современные знания и научные методы быстро проникали в другие страны, не принадлежащие западному миру, например в Индию и Японию. Я предвижу день, когда наука перестанет ассоциироваться с Западом и станет общим достоянием человечества.

Глава VIII. Блюзы ХХ века

Блюзы,

Блюзы двадцатого века,

Как они удручают меня.

Кто

Спасется от утомительных

Блюзов двадцатого века.

Ноель Кауард. Кавалькада

Как бы далеко мы не углубились в рассмотрение цепочки вопросов о материи и силах, действующих в природе, все ответы сводятся к стандартной модели элементарных частиц. На каждой конференции по физике высоких энергий, начиная с конца 70?х гг., экспериментаторы докладывают о все большей точности совпадения результатов опытов с предсказаниями этой модели. Казалось бы, что физики, занимающиеся высокими энергиями, должны испытывать чувство удовлетворения. Но почему же тогда мы находимся в состоянии уныния, как будто под влиянием меланхолического блюза?

Прежде всего, стандартная модель описывает электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия, но оставляет в стороне четвертую силу, а в действительности, первую из всех, ставших известными человеку, – силу тяготения. Такой пропуск – не просто результат забывчивости: как мы увидим, при попытке описывать гравитацию на том же языке, который мы используем в стандартной модели для описания других взаимодействий, т.е. на языке квантовой теории поля, возникают непреодолимые математические трудности. Во?вторых, хотя сильные ядерные взаимодействия и включены  в стандартную модель, они все?таки выглядят не составной частью единой картины, а стоят особняком от электромагнитных и слабых взаимодействий. В?третьих, хотя электромагнитные и слабые взаимодействия и рассматриваются в рамках стандартной модели единым образом, между этими взаимодействиями существуют очевидные различия (например, в обычных условиях слабые ядерные силы во много раз меньше электромагнитных сил). У физиков есть общие представления о том, как возникает различие между электромагнитными и слабыми взаимодействиями, но все же мы не до конца понимаем причины этого различия. Наконец, даже если отвлечься от проблемы объединения четырех сил природы, все равно в самой стандартной модели есть множество свойств, которые не вытекают из фундаментальных принципов (как бы нам хотелось), а просто берутся из эксперимента. Среди свойств, кажущихся произвольными, – список частиц, существующих в рамках модели, число параметров, таких как отношения масс частиц, и даже сами симметрии. Можно без труда представить себе модель, в которой одно из этих свойств или все сразу будут иными, чем в стандартной модели.

Конечно, стандартная модель явилась огромным шагом вперед по сравнению с путаницей приближенных симметрий, плохо сформулированных динамических предположений и голых фактов, которую изучали в институте физики моего поколения. Но очевидно, что стандартная модель не является окончательным ответом, и чтобы выйти за ее пределы, нужно понять все ее недостатки.

Тем или иным образом все проблемы стандартной модели упираются в явление, названное спонтанным нарушением симметрии . Открытие этого явления, сначала в физике твердого тела, а затем и в физике частиц, стало одним из великих достижений науки ХХ в. Главный успех был достигнут в объяснении различий между слабыми и электромагнитными взаимодействиями, поэтому для объяснения явления спонтанного нарушения симметрии лучше всего начать с электрослабой теории.

Эта теория является частью стандартной модели, имеющей дело со слабыми и электромагнитными взаимодействиями. Она основана на точном принципе симметрии, утверждающем, что законы природы не меняют своей формы, если заменить поля электронов и нейтрино на смешанные поля, например, взять одно поле, состоящее на 70 % из нейтрино и на 30 % из электрона, и другое поле, состоящее на 30 % из нейтрино и 70 % из электрона. При этом одновременно необходимо в тех же пропорциях перемешать поля других семейств частиц, например, кварков u  и d . Такой принцип симметрии называется локальным, поскольку предполагается, что законы природы остаются неизменными, даже если смесь полей будет меняться со временем или от точки к точке в пространстве. Но есть и другое семейство частиц, существование которого диктуется  указанным принципом симметрии, примерно таким же образом, как существование гравитационного поля диктуется симметрией между разными координатными системами. Это семейство состоит из фотона и частиц W , Z , причем эти поля также должны перемешиваться друг с другом, если мы перемешиваем поля электронов и нейтрино и поля кварков. Обмен фотонами обуславливает электромагнитные силы, а обмен частицами W  и Z  генерирует слабые ядерные силы, так что симметрия между электроном и нейтрино является также симметрией между электромагнитными и слабыми ядерными силами.

Однако подобная симметрия определенно отсутствует в окружающей нас природе, и поэтому?то ее так долго не могли открыть. Например, электроны и частицы W , Z  обладают массами[40], а нейтрино и фотоны не имеют массы. (Слабые силы во много раз слабее электромагнитных именно благодаря большой массе W , Z .) Иными словами, симметрия, связывающая электроны, нейтрино и другие частицы, есть свойство основных уравнений стандартной модели, определяющих свойства элементарных частиц, но в то же время, эта симметрия не выполняется для решений  этих уравнений, т.е. для свойств самих частиц.

Чтобы понять, как это возможно, чтобы уравнения имели симметрию, а решения – нет, предположим, что наши уравнения полностью симметричны относительно двух типов частиц (например, u ?, d ?кварков), и мы хотим найти решения этих уравнений, определяющие массы обеих частиц. Можно было бы предположить, что симметрия между двумя типами кварков приведет к тому, что и их массы окажутся одинаковыми, но это не единственная возможность[41]. Симметрия уравнений не исключает возможности того, что решение будет давать массу u ?кварка больше, чем масса d ?кварка, но при этом обязательно должно существовать второе  решение уравнений, дающее массу d ?кварка на столько же большую массы u ?кварка. Таким образом, симметрия уравнений необязательно должна отражаться в симметрии каждого отдельно взятого решения этих уравнений, а лишь во всей  совокупности решений. В этом простом примере реальные свойства кварков будут соответствовать одному или другому решению, демонстрируя нарушение симметрии исходной теории. Заметим, что на самом деле безразлично, какое из двух решений реализуется в природе, если единственной разницей между кварками u  и d  является разница в их массах, тогда разница между двумя решениями будет соответствовать тому, какой из кварков мы назовем u , а какой d . Природа, как мы ее знаем, соответствует одному решению всех уравнений стандартной модели, при этом безразлично какому , если только все решения связаны точными принципами симметрии.

В подобных случаях говорят, что симметрия нарушена, хотя лучше было бы говорить, что симметрия «спрятана» , так как уравнения продолжают обладать симметрией, и именно уравнения определяют свойства частиц. Описанное явление называется спонтанным нарушением симметрии , так как ничто не нарушает симметрию уравнений теории, а нарушение симметрии возникает спонтанно в различных решениях уравнений.

Красота наших теорий во многом определяется принципами симметрии. Именно поэтому первые работы по спонтанному нарушению симметрии в начале 60?х гг. вызвали столь большой резонанс. Перед нами вдруг открылось, что в законах природы есть значительно больше симметрии, чем это кажется на основе анализа свойств элементарных частиц. Нарушенная симметрия – вполне платоновское понятие: та реальность, которую мы наблюдаем в наших лабораториях есть лишь искаженное отражение более глубокой и более красивой реальности уравнений, отображающих все симметрии теории.

Обычный постоянный магнит является хорошим реалистичным примером нарушенной симметрии. (Этот пример особенно подходит потому, что идея спонтанного нарушения симметрии появилась впервые в квантовой физике в 1928 г., в построенной Гейзенбергом теории постоянного магнетизма.) Уравнения, определяющие поведение атомов железа и магнитное поле в магните, нагретом до очень высокой температуры (скажем, 800 °С), обладают точной симметрией по отношению ко всем направлениям в пространстве: ничто в этих уравнениях не отличает север от юга или восток от запада. Однако если кусок железа охладить ниже 770 °С, он внезапно приобретает определенным образом направленное магнитное поле[42], нарушая тем самым симметрию между направлениями. Расе крохотных существ, родившихся и проживших всю жизнь внутри постоянного магнита, потребовалось бы много времени на то, чтобы осознать, что истинные законы природы обладают полной симметрией относительно разных направлений в пространстве, и выделенное направление возникает только потому, что спины атомов железа спонтанно выстраиваются в одну сторону, создавая магнитное поле.

Подобно существам внутри магнита, мы недавно обнаружили симметрию, которая нарушается в нашей  Вселенной. Эта симметрия связывает слабые и электромагнитные силы[43], а ее нарушение проявляется, например, в разнице между безмассовым фотоном и очень тяжелыми частицами W  и Z . Большая разница между нарушением симметрии в стандартной модели и в магните заключается в том, что происхождение намагниченности хорошо известно. Она возникает за счет известных сил взаимодействия между соседними атомами железа, стремящимися выстроить свои спины параллельно друг другу. Стандартная модель гораздо менее изучена. Ни одна из известных сил, входящих в стандартную модель, недостаточно велика, чтобы принять на себя ответственность за нарушение симметрии между слабыми и электромагнитными взаимодействиями. Главное, чего мы все еще не знаем о стандартной модели, – это что является причиной нарушения электрослабой симметрии.

В первоначальной версии стандартной теории слабых и электромагнитных взаимодействий нарушение симметрии между этими взаимодействиями было приписано новому полю, специально для этой цели введенному в теорию. Как и магнитное поле в обычном постоянном магните, это поле может спонтанно поворачиваться, указывая некоторое направление, правда, не в обычном пространстве, а на воображаемом циферблате, направление стрелок на котором отличает электроны от нейтрино, фотоны от частиц W , Z  и т.п. То значение поля, при котором нарушается симметрия, принято называть вакуумным значением , так как поле принимает это значение в пустоте, в области вдали от воздействия других частиц. После четверти века исследований мы так и не знаем, верна ли такая простая картина спонтанного нарушения симметрии, но пока эта картина остается наиболее приемлемым объяснением.

Не первый раз, желая удовлетворить некоторым требованиям теории, физики предполагают существование новых полей. В начале 30?х гг. беспокойство ученых вызывал закон сохранения энергии в процессе бета?распада радиоактивных ядер. В 1930 г., для того чтобы восстановить баланс энергии, казалось бы, бесследно теряемой в этом процессе, Вольфганг Паули предположил, что существует частица с подходящими свойствами, названная им нейтрино, которая и уносит недостающую энергию. Трудноуловимое нейтрино было в конце концов экспериментально обнаружено[44] более чем два десятилетия спустя. Утверждать существование чего?то, что еще никогда не наблюдалось, – дело рискованное, но иногда приносящее успех.

Как и другие поля в квантово?механической теории, это новое поле, ответственное за нарушение симметрии электрослабых взаимодействий, должно переносить энергию и импульс в виде сгустков или квантов. Электрослабая теория утверждает, что, по крайней мере, один из этих квантов должен наблюдаться как новая элементарная частица. За несколько лет до того, как Салам и я разработали теорию объединения слабых и электромагнитных сил, основанную на идее спонтанного нарушения симметрии, ряд теоретиков дал математическое описание простых примеров подобного нарушения симметрии[45]. Особенно ясно это удалось сделать в 1964 г. Питеру Хиггсу из Эдинбургского университета. Поэтому новую частицу, с необходимостью возникшую в первоначальной версии электрослабой теории, назвали хиггсовской частицей .

Никто еще не обнаружил хиггсовскую частицу, но это не противоречит теории: хиггсовская частица и не могла бы быть обнаружена в сделанных до сих пор экспериментах, если ее масса больше пятидесяти масс протона, что вполне возможно. (К сожалению, электрослабая теория молчит в отношении точного значения массы хиггсовской частицы, только ограничивая ее значение сверху числом в один триллион электрон?вольт, т.е. в тысячу раз больше массы протона.) Необходимы новые эксперименты, чтобы проверить, действительно ли существует хиггсовская частица, а может, и несколько таких частиц с отличающимися свойствами, и установить их массы.

Важность этих проблем выходит за рамки вопроса о характере нарушения электрослабой симметрии. Теория электрослабых взаимодействий дала нам понимание того, что все частицы стандартной модели, за исключением хиггсовских частиц, приобретают свои массы за счет нарушения симметрии между слабыми и электромагнитными силами. Если бы мы могли каким?то способом выключить это нарушение симметрии, то электрон, частицы W , Z  и все кварки стали бы безмассовыми, как фотон или нейтрино. Поэтому загадка происхождения масс элементарных частиц есть часть проблемы понимания механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. В первоначальной версии стандартной модели хиггсовская частица – единственная, масса которой непосредственно входит в уравнения теории, нарушение электрослабой симметрии придает всем другим частицам массы, пропорциональные массе хиггсовской частицы. Но у нас нет уверенности, что все обстоит так просто.

Выяснение механизма нарушения электрослабой симметрии важно не только в физике, но и при попытках понять раннюю историю нашей Вселенной. Так же, как можно уничтожить всякую намагниченность куска железа и восстановить симметрию между различными направлениями, всего лишь нагрев этот кусок выше 770 °С, так же и симметрию между слабыми и электромагнитными силами можно восстановить, подняв температуру в лаборатории до нескольких миллионов триллионов (1015) градусов (порядка 100 ГэВ в энергетических единицах). При таких температурах симметрия будет уже не скрытой, а будет явно проявляться в свойствах всех частиц стандартной модели. (Например, при таких температурах электроны, W, Z и все кварки станут безмассовыми.) Подобные температуры порядка 1015K невозможно создать в лаборатории, их даже не найти в центре самых горячих звезд. Но в соответствии с простейшей версией общепринятой космологической теории Большого взрыва примерно 10–20 миллиардов лет тому назад существовал момент, когда температура Вселенной была бесконечно велика. Примерно через 10?10с после этого начального момента температура Вселенной упала до 1015K, и с этого времени нарушилась симметрия между слабыми и электромагнитными силами.

Скорее всего, это нарушение симметрии не произошло одномоментно и везде одинаково. В более знакомых нам примерах «фазовых переходов», скажем, замерзании воды или намагничивании куска железа, переход может произойти в одном месте чуть раньше или чуть позже, чем в другом, и происходить в разных местах чуть по?разному, что видно, например, при образовании отдельных маленьких кристалликов льда или магнитных доменов с разными направлениями намагниченности. Такого рода усложнения при электрослабом фазовом переходе могут привести к разным наблюдаемым эффектам, например, повлиять на распространенность легких элементов, созданных несколькими минутами спустя. Однако понять это невозможно, пока не понят сам механизм нарушения электрослабой симметрии.

Нарушение симметрии между слабыми и электромагнитными взаимодействиями действительно существует, так как теория, основанная на этом принципе, действует , т.е. позволяет сделать много успешных предсказаний о свойствах частиц W  и Z  и о переносимых ими силах. Но мы не можем быть до конца уверены, что электрослабая симметрия нарушается вакуумной величиной какого?то поля, введенного в теорию, или что хиггсовская частица реально существует. Что?то обязательно должно быть включено в электрослабую теорию, чтобы нарушить симметрию, но вполне возможно, что это нарушение обусловлено непрямым воздействием каких?то сверхсильных взаимодействий нового типа[46], которые не действуют на обычные кварки или электроны и нейтрино, и поэтому еще не обнаружены. Подобные теории были развиты еще в конце 70?х гг.[47], но в них возникают свои проблемы. Задача строящихся сверхмощных ускорителей – разрешить эту загадку.

На этом история спонтанного нарушения симметрии не кончается. Эта идея сыграла свою роль при попытке объединить в рамках единой схемы слабые и электромагнитные взаимодействия с третьим – сильным ядерным взаимодействием. Стандартная модель объясняет очевидное различие между электромагнитными и слабыми взаимодействиями как результат спонтанного нарушения симметрии. Но это, очевидно, не так в отношении сильных взаимодействий. Даже на уровне уравнений стандартной модели не существует симметрии, связывающей сильные ядерные силы с электромагнитными и слабыми силами. Начиная с 70?х гг., не прекращаются поиски теории, обобщающей стандартную модель, в которой как сильные, так и электрослабые взаимодействия были бы объединены одной более широкой и спонтанно нарушенной группой симметрии[48].

Есть очевидное возражение против всякой подобной попытки объединения взаимодействий. В рамках любой теории поля интенсивность взаимодействия зависит от числовых параметров двух типов: от масс (если они есть) частиц типа W , Z , переносящих взаимодействие, и определенных чисел, называемых константами связи или константами взаимодействия  и характеризующих вероятность испускания и поглощения частиц, подобных фотонам, глюонам, W  и Z , в ядерных реакциях. Массы возникают в результате спонтанного нарушения симметрии, но константы взаимодействия – это числа, входящие в исходные уравнения теории. Любая симметрия, связывающая сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия, даже после спонтанного нарушения будет приводить к точному равенству всех констант взаимодействия, т.е. к равенству интенсивностей сильных и электрослабых взаимодействий (если должным образом определить способ их сравнения). Кажущиеся различия между интенсивностями нужно будет тогда приписать спонтанному нарушению симметрии, приводящему к разнице в массах частиц?переносчиков взаимодействия, в полной аналогии с тем, как в стандартной модели разница между электромагнитными и слабыми силами обусловлена нарушением электрослабой симметрии, в результате которого у частиц W  и Z  получаются очень большие массы, а фотон остается безмассовым. Но ясно, что интенсивности сильных ядерных и электромагнитных взаимодействий не равны  друг другу – сильные взаимодействия, как это следует из самого их названия, намного сильнее электромагнитных, даже несмотря на то, что оба этих взаимодействия переносятся безмассовыми частицами, глюонами и фотонами.

В 1974 г. возникла идея, как преодолеть указанное препятствие[49]. На самом деле, константы взаимодействия всех типов зависят, хотя и очень слабо, от энергий процессов, в которых эти константы измеряются. В любой теории, объединяющей сильные и электрослабые взаимодействия, указанные константы взаимодействия должны быть обязательно равны друг другу при определенной  энергии, однако значение этой энергии может существенно отличаться от тех значений, которые доступны в современных экспериментах. В стандартную модель входят три независимые константы взаимодействия (это одна из причин, по которой мы не удовлетворены этой моделью как окончательной теорией), так что само требование, что существует какая?то  энергия, при которой все эти константы должны сравниваться по величине, является весьма нетривиальным. Накладывая это условие, можно предсказать одну связь между константами при энергиях существующих ускорителей[50], и это предсказание находится в разумном согласии с опытами. Хотя это всего лишь одно успешное количественное предсказание, но отсюда следует ободряющий вывод, что в этих идеях что?то есть.

Таким же способом можно оценить и ту энергию, при которой все константы взаимодействия становятся равными по величине. При энергиях современных ускорителей сильное взаимодействие намного превосходит по интенсивности все другие силы и, согласно квантовой хромодинамике, убывает с ростом энергии очень слабо. Поэтому предсказывается, что та энергия, при которой все взаимодействия в стандартной модели станут одинаково сильными, должна быть очень большой, порядка 1024эВ = 1015ГэВ (вычисления, сделанные в последнее время, приводят, скорее, к значению 1016ГэВ). Если действительно существует спонтанно нарушенная симметрия, объединяющая сильные и электрослабые взаимодействия, то должны существовать и новые тяжелые частицы, входящие наряду с W , Z , фотонами и глюонами в число переносчиков взаимодействия. Тогда энергия 1015ГэВ должна соответствовать массе этих новых сверхтяжелых частиц. Как будет видно ниже, в современных теориях суперструн не требуется предполагать существование отдельной новой симметрии, связывающей сильные и электрослабые взаимодействия, но константы этих взаимодействий сравниваются при той же энергии 1016ГэВ.

Может показаться, что это всего лишь очередное недостижимо большое число, но когда в 1974 г. была получена эта оценка, в головах физиков?теоретиков зазвучали колокола. Мы все знали о существовании другой очень большой энергии, естественно возникающей в любой теории, пытающейся объединить гравитацию с остальными силами в природе. При обычных условиях сила тяготения намного меньше, чем силы, порождаемые сильными, электромагнитными или слабыми взаимодействиями. Никто никогда не наблюдал никакого влияния силы тяготения на процессы, происходящие между частицами на уровне отдельных атомов или молекул, да и мало надежды на то, что это когда?нибудь станет возможным. (Единственная причина, по которой тяготение кажется достаточно большой силой в нашей повседневной жизни, связана с тем, что Земля состоит из очень большого числа атомов, каждый из которых вносит свой крохотный вклад в поле тяготения на поверхности Земли.) Однако согласно общей теории относительности все эффекты тяготения связаны не только с массой, но и с энергией. Именно поэтому фотоны, у которых нет массы, но которые имеют энергию, отклоняются гравитационным полем Солнца. При достаточно больших энергиях сила тяготения между двумя типичными элементарными частицами становится столь же большой, как и любая другая действующая между ними сила. Та энергия, при которой это происходит, составляет примерно 1019ГэВ. Ее называют планковской энергией[51].

Поразительно, что планковская энергия всего лишь примерно в сто раз больше той энергии, при которой становятся равными константы сильного и электрослабого взаимодействий, несмотря на то, что и та и другая энергии неизмеримо превосходят энергии, обычно используемые в физике частиц. То, что эти две огромные энергии относительно столь близки, является серьезным доводом в пользу того, что нарушение любой симметрии, объединяющей сильные и электрослабые взаимодействия, – всего лишь часть более фундаментального нарушения той симметрии, которая объединяет гравитацию с другими силами в природе. Возможно, не существует отдельной единой теории сильных и электрослабых взаимодействий, а существует действительно единая теория гравитационных, сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий[52].

К сожалению, гравитация осталась в стороне от стандартной модели, и причина этого в необычайной трудности описания гравитации на языке квантовой теории поля. Можно, конечно, просто применить правила квантовой механики к уравнениям поля тяготения в общей теории относительности, но мы тут же сталкиваемся со старой проблемой бесконечностей. Например, если мы попытаемся вычислить вероятность того, что произойдет при столкновении двух гравитонов (частиц, являющихся квантами гравитационного поля), мы получим вполне заметный вклад в эту вероятность от процесса обмена одним гравитоном между сталкивающимися гравитонами. Но стоит только продолжить вычисления и учесть обмен двумя гравитонами, сразу же получаются бесконечные вероятности. Эти бесконечности можно устранить, если изменить уравнения Эйнштейна для гравитационного поля, добавив в них новое слагаемое с бесконечным постоянным множителем и подобрав его так, чтобы он сократил первую бесконечность. Но если теперь включить в вычисления процесс с обменом тремя гравитонами, то мы получим новые бесконечности, которые удастся сократить только добавлением новых бесконечных слагаемых в уравнения, и т.д., пока мы не придем к теории с неограниченно большим числом неизвестных констант. Подобные теории могут быть реально полезными при расчете процессов при низких энергиях, когда новые слагаемые в уравнениях поля пренебрежимо малы, но эти теории теряют всякую предсказательную силу, если пытаться применять их к гравитационным явлениям при планковских энергиях. На сегодняшний день расчеты физических процессов при планковских энергиях нам просто не под силу.

Конечно, никто и не изучает экспериментально процессы при планковских энергиях (и к тому же не исследует на опыте какие?либо квантовые гравитационные процессы, вроде гравитон?гравитонного рассеяния при любых энергиях), но для того, чтобы теория могла рассматриваться как удовлетворительная, она не только должна согласовываться с результатами уже проделанных экспериментов, но должна давать разумные предсказания и для тех экспериментов, которые в принципе могут быть выполнены. В этом отношении общая теория относительности многие годы была в том же положении, что и теория слабых взаимодействий в конце 60?х гг., – она прекрасно согласовывалась с теми экспериментами, которые можно было осуществить, но содержала внутренние противоречия, показывавшие, что теория нуждается в модификации.

Значение планковской энергии ставит перед нами еще одну труднейшую проблему. Дело не в том, что эта энергия так велика – она возникла в физике на таком глубоком уровне, что можно просто допустить, что планковская энергия есть характерная единица энергии, входящая в уравнения будущей окончательной теории. Загадка заключается в том, почему все другие энергии так малы ? В частности, в первоначальной версии стандартной модели массы электрона, W , Z  и всех кварков пропорциональны единственной массе, входящей в уравнения теории, – массе хиггсовской частицы. Из того, что мы знаем о массах W  и Z , можно вывести, что энергия, соответствующая массе хиггсовской частицы, не может превышать 1 000 ГэВ. Но это всего лишь 10?16планковской энергии. Это означает также, что существует иерархия симметрий: какая бы симметрия не объединяла гравитационные и сильные взаимодействия с электрослабыми взаимодействиями, она должна нарушаться в 1016раз сильнее, чем симметрия, объединяющая электромагнитные и слабые взаимодействия. Загадка объяснения чудовищной разницы в величине фундаментальных энергий в современной физике элементарных частиц носит название проблемы иерархии .

Более пятнадцати лет проблема иерархии стоит как кость в горле теоретической физики. Побудительным мотивом многих теоретических спекуляций последнего времени была необходимость ее решения. Подчеркнем, что здесь нет парадокса – в конце концов, почему бы какой?то энергии в фундаментальных уравнениях физики и не быть в 1016раз меньше, чем другой, – но здесь есть тайна. Именно поэтому проблема так трудна. Парадокс, как убийство в запертой комнате, может иметь свое объяснение, но тайна принуждает нас искать ключи к ней вне рамок самой проблемы.

Один из подходов к решению проблемы иерархии основан на идее симметрии нового типа, названной суперсимметрией [53], которая объединяет в новые «суперсемейства»  частицы с разным значением спина. В суперсимметричных теориях есть несколько хиггсовских частиц, но симметрия запрещает появление каких?либо масс хиггсовских частиц в фундаментальных уравнениях теории[54]. То, что мы называем массами хиггсовских частиц в стандартной модели, должно возникать в результате сложных динамических эффектов, связанных с нарушением суперсимметрии. В другом подходе[55], упоминавшемся выше, высказывается идея, что нарушение электрослабой симметрии происходит не за счет вакуумного среднего некоторого поля, а в результате какого?то сверхсильного взаимодействия.

К сожалению, до сих пор нет ни малейших признаков существования в природе суперсимметрии или каких?то сверхсильных взаимодействий[56]. Конечно, это не может являться решающим аргументом против названных идей – новые частицы, предсказываемые в этих теориях для решения проблемы иерархии, могут оказаться слишком тяжелыми, чтобы быть рожденными на существующих ускорителях.

Мы ожидаем, что хиггсовские частицы или другие новые частицы, существование которых требуется в разных моделях решения проблемы иерархии, будут открыты на достаточно мощных новых ускорителях типа Сверхпроводящего суперколлайдера. Но нет ни малейших шансов, что любой ускоритель, какой мы только можем вообразить, сумеет ускорить отдельные частицы до тех чудовищно больших энергий, при которых объединяются все силы. Когда Демокрит и Левкипп обсуждали идею об атомах, они и вообразить не могли, что эти атомы в миллионы раз меньше, чем песчинки на берегу Эгейского моря, или что пройдет 2 300 лет прежде, чем будут получены доказательства существования атомов. Наши рассуждения подвели нас к берегу во много раз более широкого пролива: мы полагаем, что все силы природы объединяются при энергиях порядка планковской энергии, которая в 1015раз больше самой большой энергии, доступной сегодняшним ускорителям.

Открытие этого колоссального пролива оказало на физику влияние, далеко выходящее за рамки проблемы иерархии. С одной стороны, возникло новое понимание старой проблемы бесконечностей. В стандартной модели, как и в старой доброй квантовой электродинамике, испускание и поглощение фотонов и других частиц неограниченно больших энергий приводило к бесконечно большим вкладам в энергию атома и другие наблюдаемые величины. Чтобы разобраться с этими бесконечностями, потребовалось, чтобы стандартная модель обладала особым свойством перенормируемости, заключающемся в том, что все бесконечности в теории должны сокращаться с другими бесконечностями, возникающими в определениях голых масс и других констант, входящих в уравнения теории. Это условие было очень существенным подспорьем при построении стандартной модели – только теории с простейшими из возможных уравнениями являются перенормируемыми. Но поскольку стандартная модель не включает гравитацию, мы полагаем сейчас, что она есть только низкоэнергетическое приближение к действительно фундаментальной единой теории, теряющее применимость при энергиях близких к планковской. Почему же тогда надо серьезно относиться к тому, какие предсказания дает эта теория относительно испускания и поглощения частиц неограниченно больших энергий? А раз это не имеет значения, то зачем тогда требовать перенормируемости стандартной модели? Проблема бесконечностей остается с нами, но это проблема будущей окончательной теории, а не ее низкоэнергетического приближения вроде стандартной модели.

В результате такого переосмысления проблемы бесконечностей, мы полагаем сейчас, что полевые уравнения стандартной модели не относятся к очень простому перенормируемому типу, а содержат на самом деле все мыслимые слагаемые, совместимые с симметриями теории. Но тогда нам следует объяснить, почему старые перенормируемые квантовые теории поля, вроде простейших версий квантовой электродинамики или стандартной модели работают так хорошо. Мы думаем, что причина этого коренится в том, что все члены в уравнениях поля, за исключением перенормируемых, обязательно возникают в этих уравнениях поделенными на какую?то степень величины порядка планковской энергии. Поэтому вклад таких слагаемых в любой наблюдаемый физический процесс будет пропорционален степени отношения энергии процесса к планковской энергии, т.е. величине порядка 1015. Это такое крохотное число, что естественно, все такие эффекты невозможно наблюдать. Иными словами, условие перенормируемости, являвшееся путеводной нитью всех наших размышлений от квантовой электродинамики в 40?х гг. до стандартной модели в 60?х и 70?х гг., было правильным с точки зрения практических целей, хотя причины, по которым требовалось выполнение этого условия, кажутся сейчас уже не имеющими отношения к делу.

Это изменение точки зрения имеет потенциально далеко идущие последствия. В простейшей перенормируемой версии стандартной модели возникают некоторые «случайные» законы сохранения помимо реальных фундаментальных законов сохранения, вытекающих из симметрий специальной теории относительности и внутренних симметрий, определяющих существование фотона, W , Z  и глюонов. Среди этих случайных законов сохранения присутствуют закон сохранения кваркового числа (равного разности полного числа кварков и антикварков) и лептонного числа (равного разности полного числа электронов, нейтрино и аналогичных частиц и полного числа соответствующих античастиц). Если выписать все возможные слагаемые в уравнениях поля, которые совместимы с фундаментальными симметриями стандартной модели и условием перенормируемости, обнаруживается, что в уравнениях поля не появляется слагаемого, которое может привести к нарушению указанных дополнительных законов сохранения. Именно законы сохранения лептонного и кваркового числа не допускают существование процессов типа распада трех кварков в протоне на позитрон и фотон, т.е. эти законы сохранения обеспечивают стабильность обычной материи. Однако сейчас мы полагаем, что сложные неперенормируемые слагаемые в уравнениях поля, приводящие к нарушению законов сохранения лептонного, и кваркового чисел, все же есть, но они очень малы. Эти малые слагаемые в уравнениях поля индуцируют распад протона (например, на позитрон и фотон или какую?нибудь другую нейтральную частицу), но время жизни протона относительно такого распада очень велико, порядка 1032лет или чуть меньше или больше. Это число лет совпадает с числом протонов в 100 тоннах воды, так что, если предсказание верно, то в среднем за один год в 100 тоннах воды должен распасться один протон. Поиски такого распада протона безуспешно ведутся уже много лет, но скоро должна войти в строй установка в Японии, где в 10 000 тонн воды будут тщательно искать вспышки света, сигнализирующие о распаде протона. Может быть, этот опыт что?нибудь прояснит.

Между тем, появились интригующие гипотезы о возможном нарушении закона сохранения лептонного числа. В стандартной модели этот закон сохранения ответственен за то, чтобы нейтрино были безмассовыми, но если этот закон нарушается, то можно ожидать, что у нейтрино есть маленькие массы порядка 10?5эВ (т.е. порядка одной миллионной массы электрона). Эта масса намного меньше той, которую могли обнаружить любые лабораторные эксперименты, проведенные до настоящего времени, но тем не менее, ее наличие может приводить к тонкому эффекту, позволяющему нейтрино электронного типа (т.е. принадлежащего к тому же семейству, что и электрон) медленно превращаться в нейтрино других типов. Это могло бы объяснить давнишнюю загадку нехватки тех нейтрино, которые приходят к нам от Солнца, по сравнению с теоретическими ожиданиями[57]. Нейтрино, образующиеся в ядре Солнца, принадлежат в основном к электронному типу, и детекторы, используемые на Земле для регистрации солнечных нейтрино, чувствительны только к нейтрино электронного типа, так что нехватка электронных нейтрино[58] может объясняться тем, что по пути от Солнца часть этих нейтрино превращается в нейтрино других типов. Эксперименты по проверке этой идеи проводятся с помощью разных детекторов в Южной Дакоте, Японии, Италии, Канаде и на Кавказе[59].

Если нам повезет, то будут обнаружены свидетельства распада протона или наличия массы у нейтрино. Возможно, что на существующих ускорителях, например на протон?антипротонном коллайдере в Фермилабе или на электрон?позитронном коллайдере в ЦЕРНе, найдут свидетельства существования суперсимметрии. Но все это происходит ужасающе медленно. Заключительные доклады на всех конференциях по физике элементарных частиц за последние десять лет содержали один и тот же список пожеланий для экспериментаторов. Все это страшно далеко от действительно вселявших вдохновение прошлых лет, когда каждый месяц студенты?старшекурсники метались по коридорам физического факультета, рассказывая очередную новость о важном открытии. Только благодаря фундаментальной важности физики элементарных частиц, яркие студенты все еще приходят заниматься областью науки, в которой почти ничего не происходит.

Мы уверены, что это положение изменится, если будет завершено строительство ССК. Планировалось, что его энергия и интенсивность пучка будут достаточными, чтобы решить вопрос о механизме нарушения электрослабой симметрии, либо в результате открытия одной или более хиггсовских частиц, либо в результате обнаружения следов новых сильных взаимодействий. Если ответом на проблему иерархии является суперсимметрия, то и она может быть обнаружена на ССК. С другой стороны, если новые сильные взаимодействия будут найдены, это сразу повлечет за собой обнаружение на ССК большого количества новых частиц с массами порядка 1 000 ГэВ, которые нужно будет исследовать прежде, чем мы сможем высказать предположение, что же происходит при еще больших энергиях, когда объединяются все силы, включая гравитацию. В любом случае, физика частиц вновь двинется вперед. Битва физиков, занимающихся частицами, за строительство ССК была вызвана убеждением, что только данные, полученные на новом ускорителе, вселят в нас уверенность, что наша работа будет продолжаться.

Рейтинг публикации:

5

Комментарии (0) | Распечатать

Добавить новость в: