Мечты об окончательной теории

Глава Х. На пути к цели

Трудно представить, что мы когда-нибудь будем знать окончательные физические принципы, которые не объясняются с помощью еще более глубоких принципов. Многим кажется само собой разумеющимся, что вместо этого будет открываться бесконечная цепочка все более глубоких и глубоких принципов. Например, Карл Поппер, патриарх современных философов науки, отвергает «идею окончательного объяснения»[205]. Он настаивает, что «всякое объяснение можно объяснять дальше с помощью теории или предположения, имеющих большую степень универсальности. Не может существовать объяснения, не нуждающегося в дальнейшем объяснении…».

Может случиться, что Поппер и другие ученые, верящие в бесконечную цепь все более фундаментальных принципов, окажутся правы. Но мне кажется, что такую точку зрения нельзя обосновывать тем, что до сих пор никто не открыл окончательной теории. Это напоминает утверждения некоторых ученых XIX в., доказывавших, что поскольку все предыдущие арктические экспедиции в течение сотен лет обнаруживали, что как далеко на север не забирайся, там все равно остается еще больше неисследованных районов моря и льда, следовательно, либо нет никакого Северного полюса, либо во всяком случае никто его никогда не достигнет. Все же некоторым это удалось.

Создается широко распространенное впечатление, что в прошлом ученые часто убаюкивали себя мыслями, будто они нашли окончательную теорию. Они вели себя подобно исследователю Фредерику Куку, считавшему в 1908 г., что именно он достиг Северного полюса. Ученые строили сложные теоретические схемы, объявляли их окончательной теорией, а затем с тупым упорством защищали их, пока неопровержимые экспериментальные доказательства не убеждали новые поколения ученых, что все эти схемы были неверны. Но, насколько я знаю, ни один уважаемый физик в ХХ в. не заявлял о создании окончательной теории. Правда, физики иногда недооценивают то расстояние, которое нужно еще пройти, прежде чем достичь окончательной теории. Вспомним предсказание Майкельсона, сделанное в 1902 г., что «вскоре наступит день, когда сходящиеся линии от многих, кажущихся далекими друг от друга областей знания соединятся… в общей точке». Совсем недавно Стивен Хокинг, принимая Лукасовскую кафедру математики в Кембридже (эту кафедру занимали перед ним Ньютон и Дирак), предположил в своей вступительной лекции, что модные в то время теории «расширенной супергравитации» станут основой теории, похожей на окончательную. Сомневаюсь, чтобы Хокинг повторил это сегодня. Но ни Майкельсон, ни Хокинг не заявляли, что окончательная теория уже построена.

Если история чему-нибудь учит, так это тому, что окончательная теория существует. В ХХ в. мы наблюдали схождение стрел объяснений, похожее на схождение меридианов к Северному полюсу. Основополагающие принципы нашей науки хотя и не приняли окончательной формы, но постоянно становились все проще и экономнее. Мы видели это схождение на примере свойств кусочка мела. Я сам наблюдал все это на протяжении моей карьеры ученого. Когда я учился на старших курсах, мне приходилось поглощать огромное количество разнообразной информации о слабых и сильных взаимодействиях элементарных частиц. Сегодняшние студенты, занимающиеся физикой элементарных частиц, изучают стандартную модель, много новой математики и этим ограничиваются. (Профессора физики часто в отчаянии воздевают руки к небу, ругая студентов, которые так мало знают о реальных явлениях в физике частиц, но думаю, что те, кто учил меня в Корнелле и Принстоне, точно так же воздевали руки по поводу того, как мало я знаю фактов, касающихся атомной спектроскопии.) Очень трудно воспринимать последовательность все более и более фундаментальных теорий, становящихся все проще и всеохватнее, и не верить, что цепочка объяснений где-то сойдется.

Маловероятно, но возможно, что последовательности все более фундаментальных теорий не будут ни сходящимися, ни бесконечно продолжающимися. Кембриджский философ Майкл Редхед полагает, что они могут замкнуться сами на себя[206]. Он отмечает, что ортодоксальная копенгагенская интерпретация квантовой механики требует существования макроскопического мира наблюдателей и измерительных приборов, что в свою очередь, объясняется с помощью квантовой механики. Эта точка зрения, по-моему, дает еще один пример неудовлетворительности копенгагенской интерпретации и разнице в подходах к объяснению квантовых явлений и наблюдателей, которые их изучают. В реалистическом же подходе к квантовой механике Хью Эверетта и других существует только одна волновая функция, описывающая все явления, включая опыты и наблюдателей, причем фундаментальные законы описывают эволюцию этой волновой функции.

Еще более радикальной является гипотеза, что на дне мы обнаружим вообще полное отсутствие законов[207]. Мой друг и учитель Джон Уилер когда-то предположил, что нет никакого фундаментального закона, а все законы, которые мы сейчас изучаем, приписываются природе благодаря тем способам, которыми мы совершаем наблюдения[208]. Рассуждая несколько иначе, теоретик из Копенгагена Хольгер Нильсен предложил «случайную динамику»[209], согласно которой, что бы мы ни предположили об устройстве природы на очень малых расстояниях или при очень больших энергиях, все явления, доступные наблюдению в наших лабораториях, будут выглядеть примерно одинаково.

Мне кажется, что и Уилер, и Нильсен просто отпихивают от себя проблему окончательных законов. Мир Уилера, в котором нет законов, все равно нуждается в метазаконах, которые должны указывать нам, как наблюдения создают регулярности в природных явлениях. Среди метазаконов должна быть и сама квантовая механика. Аналогично, Нильсен нуждается в некотором метазаконе, объясняющем как выглядит природа, если изменить шкалу расстояний и энергий, в которой мы проводим наши измерения. Для этой цели он предполагает, что справедливы так называемые уравнения ренормализационной группы, но существование таких уравнений в мире без всяких законов кажется весьма проблематичным. Я подозреваю, что все попытки обойтись без фундаментальных законов природы если и будут успешными, то сведутся к введению метазаконов, описывающих как возникает то, что сейчас мы называем законами.

Есть еще одна возможность, которая представляется мне более вероятной и более тревожной. Возможно, что окончательная теория, т.е. простой набор принципов, из которых вытекают все объяснения, действительно существует, но мы никогда не сможем узнать, что это такое. Например, вполне может быть так, что люди просто недостаточно разумны, чтобы открыть или понять окончательную теорию. Вполне можно натренировать собаку выполнять разные умные вещи, но думаю, никому не удастся научить собаку использовать квантовую механику для расчета уровней энергии атома. Лучшим аргументом в пользу того, что наш род способен к дальнейшему интеллектуальному прогрессу является наша волшебная способность объединять наши мозги с помощью языка. Но этого может оказаться мало. Юджин Вигнер предупреждал, что «у нас нет оснований утверждать, что наш разум может сформулировать идеальные законы, полностью объясняющие явления неодушевленной природы»[210]. К счастью, до сих пор, похоже, наши интеллектуальные ресурсы не исчерпаны. По крайней мере, в физике каждое новое поколение студентов-старшекурсников кажется талантливее предыдущего.

Значительно большую тревогу вызывает то, что попытка открыть окончательные законы может упереться в проблему денег. Мы уже ощутили вкус этой проблемы во время недавних дебатов в США о завершении строительства ССК. Цена в 8 миллиардов долларов на десять лет вполне укладывается в возможности страны, но даже сами физики не торопятся предлагать более дорогие проекты ускорителей следующего поколения.

Помимо оставшихся невыясненными вопросов о стандартной модели, на которые мы надеемся получить ответ с помощью ССК, существуют и более глубокие вопросы, касающиеся объединения сильных, электрослабых и гравитационных взаимодействий, которые невозможно адресовать ни к одному из планируемых сейчас ускорителей. Истинно фундаментальная планковская энергия, при которой все эти вопросы можно экспериментально изучать, примерно в сто триллионов раз больше, чем энергия ССК. Ожидается, что все силы природы объединяются именно при этой энергии. Кроме того, согласно современным теориям струн, примерно такая же энергия нужна на то, чтобы возбудить первые моды колебаний струн, кроме тех низших мод, которые наблюдаются как обычные кварки, фотоны и другие частицы, описываемые стандартной моделью. К сожалению, такие энергии безнадежно недостижимы. Даже если объединить все экономические ресурсы человечества и направить их на решение этой задачи, мы все равно не представляем сегодня, как построить машину, способную ускорять частицы до таких энергий. Дело не в том, что сами по себе такие энергии недостижимы – планковская энергия, грубо говоря, равна химической энергии сгорания полного бака бензина в автомобиле. Трудность в том, как сконцентрировать всю эту энергию в одном протоне или электроне. Нам нужны совершенно новые идеи относительно конструкции ускорителей, кардинально отличающиеся от используемых сегодня. Возможно, удастся использовать ионизированный газ, чтобы облегчить передачу энергии от мощных лазерных пучков к отдельным заряженным частицам, но даже если это удастся осуществить, скорость реакций частиц при таких энергиях будет настолько мала, что эксперименты станут невозможными. Более вероятно, что новые достижения в теории или в экспериментах другого типа когда-нибудь сделают ненужным строительство ускорителей, позволяющих получить все большие и большие энергии.

Моя точка зрения заключается в том, что окончательная теория существует, и мы способны ее открыть. Может быть, эксперименты на ССК дадут настолько важную новую информацию, что теоретики смогут завершить работу над окончательной теорией, не обращаясь к изучению процессов между частицами при планковских энергиях.

Возможно, что уже сегодня мы можем подобрать кандидата на подобную окончательную теорию среди теорий струн.

Как было бы странно, если бы окончательная теория была создана при нашей жизни! Открытие окончательных законов природы означало бы самый резкий скачок в интеллектуальной истории человечества со времен начала развития современной науки в XVII в. Можем ли мы сейчас вообразить, на что все это было бы похоже?

Хотя и нетрудно представить окончательную теорию, которая не имеет объяснений с помощью более глубоких принципов, очень трудно вообразить окончательную теорию, которая не нуждается в таком объяснении. Какой бы ни была окончательная теория, она определенно не будет логически неизбежной. Даже если окажется, что окончательная теория – это теория струн, которую можно выразить в нескольких простых уравнениях, и даже если нам удастся показать, что это единственно возможная квантово-механическая теория, способная математически непротиворечиво описать гравитацию наравне с другими силами, мы все равно не перестанем задавать себе вопросы, почему вообще существует тяготение, и почему природа должна подчиняться правилам квантовой механики. Почему Вселенная не состоит просто из точечных частиц, вечно вращающихся по своим орбитам согласно законам ньютоновской механики? Почему вообще все существует? Редхед, возможно, отражает точку зрения большинства[211], когда отрицает всякий смысл «в поиске каких-то самодостаточных априорных оснований науки».

С другой стороны, Уилер как-то заметил, что когда мы доберемся до окончательных законов природы, мы будем страшно удивлены, как это мы до них сразу не догадались. Возможно, Уилер и прав, но только потому, что очевидность этих законов станет для нас результатом хорошей тренировки, которая длилась многие века научных разочарований и успехов. Думаю, что старый вопрос: «Почему?», может быть, в несколько смягченной форме, и в этом случае останется с нами. Гарвардский философ Роберт Нозик пытался разрешить эту проблему и пришел к выводу, что вместо попыток вывести окончательную теорию на основе чистой логики нам нужно искать аргументы в пользу привлекательности такой теории, выходящие за рамки голых фактов[212].

С моей точки зрения, лучшее, на что можно надеяться, – это доказать, что окончательная теория, не будучи логически неизбежной, все же логически изолирована. Иными словами, может оказаться, что хотя мы всегда сможем представить другие теории, полностью отличные от истинной окончательной теории (вроде скучного мира частиц, управляемых законами ньютоновской механики), обнаруженная нами окончательная теория будет настолько жесткой, что любая попытка хоть чуть-чуть ее изменить будет приводить к логическим противоречиям. В логически изолированной теории каждая константа природы может быть вычислена из первых принципов, малое изменение значения любой константы разрушит согласованность теории. Окончательная теория будет напоминать кусок дорогого фарфора, который невозможно согнуть, не разрушив. В этом случае, хотя мы и не будем знать, почему окончательная теория верна, мы будем, основываясь на логике и чистой математике, знать, по крайней мере, почему истина выглядит так, а не иначе.

Это не просто возможность: мы уже довольно далеко прошли по дороге к такой логически изолированной теории. Самыми фундаментальными из известных физических принципов являются законы квантовой механики, лежащие в основе всего, что мы знаем о материи и ее взаимодействиях. Квантовая механика не является логически неизбежной; нет ничего логически невозможного и в ее предшественнице – механике Ньютона. Тем не менее, все попытки физиков хоть чуточку изменить законы квантовой механики, не приходя при этом к логическим несуразностям вроде отрицательных значений вероятностей, полностью провалились.

Но квантовая механика сама по себе еще не есть полная физическая теория. Она ничего не говорит нам о том, какие частицы и силы могут существовать в природе. Откройте любой учебник по квантовой механике. Вы найдете там множество примеров самых разнообразных гипотетических частиц и сил, причем большинство из них не имеют ничего общего с теми, которые реально наблюдаются в природе. Но при этом все эти частицы и силы прекрасно согласуются с принципами квантовой механики, так что их можно использовать для тренировки студентов в применении этих принципов. Разнообразие возможных теорий резко уменьшается, если рассматривать только те квантово-механические теории, которые совместимы с специальной теорией относительности. Большинство таких теорий можно логически исключить, так как они тянут за собой всякие глупости, вроде бесконечных энергий или бесконечных скоростей реакций. Но и после этого остается множество логически возможных теорий, например, теория сильных ядерных взаимодействий – квантовая хромодинамика, в рамках которой во Вселенной нет ничего, кроме кварков и глюонов. Большинство из оставшихся теорий исключаются, если потребовать, чтобы они включали в себя гравитацию. Не исключено, что нам удастся математически доказать, что такие требования оставляют только одну логически возможную квантово-механическую теорию, возможно, какую-то единственную теорию струн. Если такое случится, то хотя и останется еще огромное количество других логически возможных окончательных теорий, лишь одна из них будет описывать что-то отдаленно напоминающее наш собственный мир.

Но почему окончательная теория должна описывать что-то похожее на наш мир? Объяснение, возможно, связано с тем, что Нозик назвал принципом плодовитости. Он утверждает, что все логически возможные вселенные в определенном смысле существуют, причем в каждой – свои наборы фундаментальных законов. Принцип плодовитости сам ничем не объясняется, но в нем есть, по крайней мере, какая-то приятная самосогласованность. Как пишет Нозик, принцип плодовитости утверждает, что «реализуются все возможности, в том числе, и возможность существования самого этого принципа».

Если такой принцип верен, то существует наш собственный квантово-механический мир, но существует и ньютоновский мир частиц, вечно вращающихся друг относительно друга, существуют бесчисленные миры, в которых нет ничего, и существуют столь же бесчисленные миры, свойства которых мы даже не можем себе представить. Разница между этими мирами не просто в разнице так называемых констант природы, меняющихся от одной части Вселенной к другой, от одной эпохе к другой или от одного слагаемого в волновой функции к другому. Как мы видели, все подобные возможности могут быть реализованы как следствия некоторой действительно фундаментальной теории, вроде квантовой космологии. Но при этом мы все равно должны будем понять, почему фундаментальная теория такая, а не другая. Вместо этого принцип плодовитости предполагает, что существуют совершенно разные вселенные, подчиняющиеся совершенно разным законам. Но если все эти вселенные недостижимы и непознаваемы, утверждение об их существовании, похоже, не имеет никакого смысла, кроме возможности избежать вопроса, почему они не существуют. Похоже, проблема в том, что мы пытаемся рассуждать логически по поводу вопроса, не поддающегося логическому анализу: что должно или не должно вызывать в нас ощущение чуда.

Принцип плодовитости дает еще один способ подтвердить полезность антропного принципа для объяснения, почему окончательные законы нашей Вселенной таковы, каковы они есть. Может существовать множество допустимых вселенных, законы природы в которых или история эволюции неблагоприятны для возникновения разумной жизни, однако любой ученый, спрашивающий о том, почему мир устроен так, а не иначе, обязательно должен жить в одной из других вселенных, где разумная жизнь могла возникнуть. С этой точки зрения, можно сразу отвергнуть вселенную, управляемую ньютоновской физикой (помимо всего прочего, в ней не было бы стабильных атомов), или вселенную, в которой нет ничего.

Есть и экстремальная возможность, что существует только одна логически изолированная теория, не содержащая неопределенных констант и совместимая с существованием разумных существ, способных размышлять над окончательной теорией. Если это удастся показать, то мы окажемся так близко, насколько это возможно, к удовлетворительному объяснению того, почему мир таков, каков он есть.

Каковы будут последствия открытия подобной окончательной теории? Конечно, полный ответ можно будет дать только после того, когда мы эту теорию узнаем. Может быть, то, что мы узнаем об устройстве мира, будет для нас столь же удивительным, как законы ньютоновской механики были бы удивительны для Фалеса. Но можно быть твердо уверенным в одном: открытие окончательной теории не станет концом научных исследований. Даже если не касаться проблем, которые необходимо будет исследовать в связи с техникой или медициной, останется множество проблем чистой науки, над которыми ученые будут биться, так как у этих задач должны быть красивые решения. Уже сейчас в физике есть явления вроде турбулентности или высокотемпературной сверхпроводимости, ожидающие глубокого и красивого объяснения. Никто не знает толком, как образовались галактики, как был запущен генетический механизм, или как знания хранятся в мозгу человека. Ни на одну из этих проблем открытие окончательной теории не окажет никакого влияния.

С другой стороны, открытие окончательной теории может иметь последствия, выходящие далеко за рамки науки. Умы многих людей заражены сегодня различными иррациональными предубеждениями, от сравнительно безобидной астрологии до сатанинских идеологий крайне опасного толка. То, что до сих пор мы не знаем окончательных законов природы, позволяет всем этим людям надеяться, что когда-нибудь их любимые предрассудки найдут подобающее место в структуре науки. Было бы глупо надеяться, что любое открытие в науке может само по себе излечить человечество от всех его предрассудков, но все же открытие окончательной теории, по крайней мере, оставило бы меньше места для иррациональных верований.

Открытие окончательной теории может принести разочарование, так как природа станет более обычной, в ней останется меньше чудес и тайн. Нечто подобное уже случалось и ранее. На протяжении почти всей человеческой истории карты Земли указывали неизведанные пространства, так что воображение людей могло заполнять их драконами, золотыми городами и антропофагами. Поиск знаний во многом был уделом географических открытий. Когда тенниссоновский Улисс решил «последовать за знанием как звезда на небе, и погрузиться в самые глубины человеческих мыслей», он отправился через неизведанную Атлантику «в сторону заката, к месту купания всех западных звезд». Но в наши дни каждый гектар поверхности Земли нанесен на карты, и все драконы куда-то улетели. С открытием окончательных законов испарятся наши мечты. Останется бесконечное количество научных задач, перед учеными раскроется для исследования вся Вселенная, но подозреваю, что ученые будущего будут немного завидовать физикам наших дней, так как мы все еще идем по дороге, ведущей к открытию окончательных законов.