Стаття

Чому фізики шукають правду у красі та красу у правді?

Хто не любить гарні ідеї? Фізики, звичайно ж, люблять. Вже давно серед учених прийнято віддавати перевагу тим гіпотезам, які милують око. Вони вважають, що немає значення, на чому ґрунтуються їхні рішення, гіпотези ж все одно будуть перевірятися. Але проблема в тому, що більшість таких гарних ідей складно або навіть неможливо перевірити. Коли ж експеримент завершується безрезультатно, жодні вдосконалення теоретичної частини вже нічого не можуть змінити.

Така практика спостерігається протягом останніх 40 років. Привабливі аргументи розрослися до масштабів науково-дослідних програм: як-то суперсиметричні теорії струн, теорії множинних всесвітів або великого об’єднання, над якими працюють тисячі вчених. Суспільство витрачає мільярди доларів на експерименти, які не дають жодних підтверджень усіх цих гарних ідей при тому, що в основах фізики відбувся величезний прорив.

Мої колеги стверджують , що ідеї відбираються за критерієм привабливості на основі значного досвіду минулих років. Але привабливість найвідоміших фундаментальних теорій сьогодення, таких як стандартна модель у фізиці елементарних частинок і загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна, є досить специфічною. Ми правильно зробили, що випробували цей підхід і припустили, що спільною рисою фундаментальних теорій є їхня привабливість, але це не спрацювало. Чому ж в основі вибору теорій фізики продовжують лежати все ті ж три критерії привабливості: простота, природність та елегантність?

Під простотою я не маю на увазі принцип «бритви Оккама», який каже: «Не варто множити суще без необхідності», тобто якщо дві теорії дають однаковий результат, потрібно обрати простішу. Я маю на увазі абсолютну простоту: теорії повинні бути простими, нічого зайвого. Якщо це не так, мої колеги намагаються самі їх спростити, об’єднуючи декілька факторів або використовуючи нові симетрії, які об’єднують частинки в упорядкованих наборах.

Другий критерій — це природність, яка є не що інше, як спроба позбутися людського фактора шляхом відмови від припущень. Цей критерій найчастіше застосовується до значень констант без одиниць вимірювання, таких як співвідношення маси елементарних частинок. За критерієм природності такі числа повинні наближатися до одиниці, в іншому ж разі потрібно надавати теоретичне пояснення їхнього значення.

Третій елемент привабливості — елегантність. Це дуже розпливчасте поняття. Часто під елегантністю розуміють поєднання простоти та несподіванки, які разом відкривають нові властивості. Ми вбачаємо елегантність у моментах прозріння, коли в голову приходять геніальні ідеї, і все стає на свої місця.

На сьогодні фізики визначають перспективність теорії за цими трьома критеріями. У зв’язку з цим, наприклад, з’явилися прогнози, що протони можуть розпадатися. З 1980-х років було проведено низку експериментів для підтвердження цього припущення, але ніхто так і не побачив розпаду протонів. Теоретики також передбачали, що ми зможемо виявити частинки темної матерії, такі як аксіони або слабо взаємодіючі масивні частинки. Ми провели десятки експериментів, але так і не знайшли жодної гіпотетичної частинки — принаймні, до цього часу. Керуючись тими ж самими критеріями симетрії та природності, багато фізиків вважають, що за допомогою Великого адронного колайдера (ВАК), крім бозонів Хіггса, можна також виявити так звані «суперсиметричні» частинки або додаткові виміри простору. Проте, нічого з цього досі не було виявлено.

Великий адронний колайдер

Як довго можна реалізовувати такі програми, перш ніж їхня абсурдність стане очевидною? Якщо ви будете постійно спрощувати теорію, у якийсь момент її вже неможливо буде передбачити, оскільки вам не вистачить даних навіть для проведення розрахунків. У результаті ви отримаєте те, що сучасні теоретики називають поняттям «множинні всесвіти», — нескінченну сукупність всесвітів із різними законами природи.

Скажімо, якщо ви використовуєте закон всесвітнього тяжіння, не визначаючи значення постійної Ньютона дослідним шляхом, можна сказати, що ваша теорія містить всесвіт для будь-якого значення константи. Звичайно, після цього ви маєте прийняти, що ми живемо в єдиному всесвіті, значення постійної Ньютона для якого вже встановлено. Тож може здатися, що така робота була не дуже плідною. Хоча теоретики тепер можуть писати наукові статті про цю велику кількість нових всесвітів. Ба більше, спостерігати за іншими всесвітами неможливо, тож теорії множинних всесвітів не потребують експериментальних випробувань.

Я думаю, настав час винести щось корисне з минулого. Як показує практика, вибір гарних теорій для подальшої розробки не був дуже успішним. Багато таких гіпотез були просто неправильними, як наприклад, ідея Йоганна Кеплера про розміщення орбіт планет по кутах правильного багатогранника, відомого під назвою «Платонове тіло», або що атоми є вузлами в невидимому ефірі, або що Всесвіт не розширюється, а перебуває в статичному стані.

Йоганн Кеплер

Інші ж теорії, які колись вважалися непривабливими, витримали випробування часом. Коли Кеплер припустив, що планети рухаються по еліпсу, а не по кругу, його сучасники були переконані, що це занадто потворно, щоби бути правдою. А фізик Джеймс Максвелл відмовився від своєї власної теорії про електричні та магнітні поля, оскільки тоді стандартом краси вважалися різні складні механізми. Поль Дірак критикував пізнішу версію теорії Максвелла, оскільки вона вимагала складних математичних маніпуляцій для вирішення проблеми нескінченності. Однак ті нібито потворні ідеї виявилися вірними. Вони використовуються по сьогоднішній день і більше не здаються потворними.

Є ще один урок, який ми можемо винести з історії. Хоча краса була, мабуть, сильним особистим стимулом для багатьох фізиків, проте суперечності в математичних розрахунках стояли на шляху і зрештою допомагали робити відкриття. Наприклад, Ейнштейн відмовився від абсолютного часу, оскільки той суперечив теорії електромагнетизму Максвелла, тим самим створивши спеціальну теорію відносності. Пізніше він вирішив конфлікт між спеціальною теорією відносності та ньютонівською теорією гравітації, що допомогло йому відкрити загальну теорію відносності. Трохи пізніше Дірак подолав розбіжності між спеціальною теорією відносності та квантовою механікою, що сприяло розвитку теорії квантового поля, яку ми використовуємо в фізиці елементарних частинок по сьогоднішній день.

Джеймс Максвелл. Фото: vologda.kp.ru

Відчуваючи потребу в логічних зв’язках, ми також виявили бозони Хіггса у Великому адронному колайдері в 2012 році. Вони необхідні для того, щоб стандартна модель могла працювати. Без бозонів Хіггса фізики в області елементарних частинок обчислюють ймовірність більше 1, що з математичної точки зору є безглуздям, далеким від реальності. Чесно кажучи, математики не казали, що це мають бути саме бозони Хіггса. Але ми знали, що ВАК виявить щось нове ще до того, як його було побудовано, тому що в нас були переконливі математичні розрахунки.

Що стосується суперсиметричних частинок, вони є досить гарними, але не дуже потрібними. Їх почали використовувати, щоб покращити зовнішній вигляд існуючої теорії, оскільки вона виглядала трохи неприродно. Навіть не будучи суперсиметричною, вона абсолютно правильна з математичної точки зори, проте не дуже гарна. Тому фізики використали суперсиметрію для того, щоб її причепурити. Тож прогнози щодо виявлення суперсиметричних частинок у Великому адронному колайдері були зроблені на основі надії, а не здорового глузду. Частинки ці так і не було виявлено.

Імітаційний розпад бозона Хіггса в прискорювачі часток. Spiegel online

Дивлячись на цю низку провальних ідей, я бачу фізиків, які витрачають силу-силенну часу на проблеми, яких не існує, намагаючись виправити, як вони вважають, недостатньо привабливі ідеї. Вчені повинні переосмислити свої методи дослідження саме зараз, до того, як ми почнемо обговорювати потребу в наступному великому колайдері або пошук іншої темної матерії.

Звичайно, не потрібно повністю відмовлятися від нових ідей. Принцип вирішення наявних проблем за допомогою нових теорій сам по собі хороший, однак на сьогодні ми не отримуємо від цього жодної користі через нечітке формулювання цих проблем. В основах фізики лежать слабкі концептуальні та філософські пояснення, які потребують вдосконалення.

Не варто вимагати від природи підтвердження наших ідеалів краси. Це не принесе ні практичної користі, ні наукових результатів. Ми повинні дозволити доказам показувати нам шлях до нових законів природи. І я впевнена, що попереду на нас чекає щось гарне.

Сабін Хоссенфельдер буде обговорювати елегантні рівняння, прості закони та свою нову книгу «Загублені у математиці, або Як краса заплутує фізиків» на Лондонському дводенному фестивалі філософії та музики HowTheLightGetsIn , який відбудеться у вересні 2018 року.

Facebook 0
LinkedIn 0
Pocket 0
Сабін Хоссенфельдер

Сабін Хоссенфельдер

науковий співробітник Франкфуртського інституту перспективних досліджень, яка спеціалізується на феноменології квантової гравітації; автор наукових статей для журналів Forbes, Scientific American, New Scientist та інших. Остання книга — «Загублені у математиці, або Як краса заплутує фізиків» (2018 р.)

Tags:

COWO.GURU NEWSLETTER

Отримуйте наші новини

Читайте першими свіжий контент. Отримуйте запрошення на події для інтелектуалів