Там, за горизонтом научных знаний

Давид Гильберт, король математиков XX века, говорил: бедные физики, как они могут заниматься математикой? Она для них слишком сложна. И всё-таки именно математика, а не философский фонарь, стала поводырём физиков в XX веке и до сих пор указывает им направление, в котором надо развиваться.

Ярким примером тому может служить открытие электромагнитных волн, сделанное Дж. Максвеллом ещё в XIX веке, чисто математическим способом, и уже потом, несколько лет спустя, подтверждённое экспериментально.  Чисто математическим было и предсказание Дираком позитрона, а потом и других античастиц. Вся квантовая механика по сути дела вышла из математики, отчего и возникла длившаяся много лет дискуссия о том, как её интерпретировать и какой физический смысл стоит за её уравнениями. Ничем, кстати, так и не закончившаяся.

Научная революция, на пороге которой физики стояли в 60-х годах, так и не состоялась. Пространство-время в микромире оказалось таким же непрерывным, как и у нас, никакой дискретности, причинность также устояла. Развитие пошло эволюционным путём. С укреплением модели кварков, сведением электромагнитного и слабого взаимодействий в одной теории и созданием квантовой хромодинамики надежд на революцию становилось всё меньше и меньше. Открытие хиггс-бозона поставила последнюю точку в Стандартной модели.

Теперь физики размышляют: что дальше? Они снова ожидают революцию, снова готовы крушить старые догмы, чтобы возводить новые. Не может быть, что мы всё знаем, говорят они. Мы не знаем, например, какова природа невидимой массы Вселенной. Мы плохо понимаем природу скрытой энергии. В рамках Стандартной модели невозможно объяснить осцилляции нейтрино, предсказанные Бруно Понтекорво и уже открытые экспериментально. Наконец, до сих пор не построена квантовая теория гравитации, а все универсальные взаимодействия, как это мыслилось в идеале, ещё не сведены в Теорию Всего сущего.

Физики пытаются заглянуть за сегодняшний горизонт знаний. Торжествует гипотетическая физика с различными субстанциями, как в XVII веке, уже нельзя провести строгую грань между строгой наукой и научной фантастикой.

Ставка по-прежнему делается на математику. Один из отцов квантовой механики Вернер Гейзенберг говорил: математики подсказали нам, физикам, что законы сохранения тесно связаны с симметриями уравнений и математически следуют из них. Среди симметрий есть хорошо знакомые и понятные нам пространственные симметрии, а также так называемые внутренние, и чем больше говоришь о них, тем меньше понимаешь.

Сторонники Великого объединения (то есть, описания всех известных на сегодняшний день взаимодействий в рамках одной теории) начиная с 1970-х годов большие надежды возлагали на суперсимметрию, или на теорию струн (или суперструн). История этой теории вкратце такова. Как сказал один из авторов квантовой электродинамики Джулиан Швингер, Габриэль Венециано, в то время ещё молодой физик, не возведённый в ранг великих, набрёл на неё случайно. Но, не справившись с возникшими при этом проблемами, Венециано бросил свою идею, и в 70-е годы её подобрали другие.

В основе теории струн (и всего сущего, надо полагать, если опрокидывать эту теорию на объективную реальность) лежат некие странные объекты размерностью 1 и 2: струны и мембраны (они же браны). В истории познания природы вещей это нечто новое.

К материальным точкам, например, мы привыкли ещё со школы: это трёхмерный объект, размерами которого можно пренебречь. С появлением теории относительности и вслед за ней квантовой механики физикам пришлось смириться с тем, что частицы, которые тогда назывались элементарными и мыслились как кирпичики мироздания (электрон, протон...), и в самом деле не имеют структуры и не занимают объёма в пространстве.

Надо сказать, что идея точечности не так уж и нова, обескуражить она не может. Тут есть на что сослаться в истории науки. Так, сербский учёный XVIII века Роджер Бошкович представлял себе атомы как точечные «центры сил»; впоследствии Майкл Фарадей воспользовался этим представлением для построения (на качественном уровне) теории поля.

Были, однако, и «диссиденты», не верившие точечность частиц, их голоса были услышаны, когда Хофштадтер на электронном ускорителе в Стэнфорде обнаружил пространственную структуру протона, а за ним и нейтрона; говорят, Ландау, свято веривший в точечность частиц, два дня не выходил из дома, обдумывая этот факт.

Сторонники протяжённости частиц торжествовали недолго: в конце 60-х, всё в том же Стэнфорде и снова на электронном ускорителе, но теперь уже с энергией пучка на порядок выше, были открыты точечные рассеивающие центры в нуклонах. Было признано, что все адроны состоят из точечных (опять!) кварков, а структура электрона и других лептонов так и не была обнаружена.

Происхождение точечности частиц, таким образом, прояснилось, но откуда взялись эти одномерные и плоские химеры Венециано, кто их породил? Какие философские предвидения за ними стоят? Ведь физики, изучающие строение вещества, от атомов и ядер до лептонов и кварков, сами признаются, что они так и не вышли за тот круг идей, который очертили древние греки.

Знакомый теоретик объяснил на пальцах происхождение всех этих струн, петлей и узелков на память. Всё дело в способе мышления. Простейший квантовый объект для теоретиков — это квантовый осциллятор. Волна бежит по струне. Струна замыкается на себе, и если длина волны укладывается целое число раз на ней, мы имеем стационарный процесс. Издалека это воспринимается как точка. Даже не нужно издалека, они такие малюсенькие... Так мыслят теоретики. Если не углубляться в детали, всё ясно.

Но самое поразительное — даже не сами струны, а то, что мы — всего лишь звучание этих струн. Это совсем другой чертёж мира, совершенно иной взгляд на наше место во Вселенной. Первое, что приходит на ум, это, конечно, «Назад, к Пифагору!». А ещё вспоминается удивительная книга гражданина Соединённых Штатов В. А. Лефевра, в прошлом нашего соотечественника, «Конфликтующие структуры»; в заключительной главе с многозначительным названием «Системы, нарисованные на системах» автор рисует наше бытие как узор, вышитый на ткани, которая и есть так самая «материя»...

Иногда спрашивают, куда делась научная фантастика 60-х годов? Да вот же она! Никуда она не делась. Современная теоретическая физика в изложении для миллионов — это и есть та самая научная фантастика 60-х, утраченная и вновь обретённая. 

Обратимся напоследок ещё раз к суперсимметрии и суперструнам. Теория требует 10 измерений; если добавить ещё одно, струны превращаются в мембраны. Мнение одного из специалистов: струнная теория — это чистая математика. И он в своём мнении не одинок. Почему? У этой теории, при всех её достоинствах (в первую очередь, как говорят узкие специалисты, красоте), есть по крайней мере один существенный недостаток: она не имеет выхода на эксперимент, и нет надежды проверить её экспериментально в обозримом будущем.

Так что будущее струнной теории, или Теории Всего, как иногда её называют, под вопросом. История науки знает много таких случаев. В начале XX века была популярна теория Ми, которая выводила всё из электромагнетизма, кто о ней сейчас помнит? Возможен и другой вариант. Сотни лет схоласты перемалывали одни словесные формулы в другие, пока разработанный ими понятийный аппарат не был властно востребован экспериментальной наукой XVII века.

Возможно, наступит звёздный час и для Теории Всего? Возможно. А пока... Пока сложилась парадоксальная ситуация: физики создали картину мира, которую сами же не в состоянии подтвердить ими же самими провозглашёнными и возведёнными в закон методами. Так стоит ли и дальше потворствовать физикам в их стремлении удовлетворять своё любопытство за государственный счёт, как определял науку, и в первую очередь — физику высоких энергий, академик Л. А. Арцимович? Вот вопрос, который из года в год задают себе государственные мужи ведущих держав мира.


Рецензии
Больше всего меня шарашит бесконечность микромира.
С бесконечностью макромира я как-то уже смирилась...

Троянда   21.05.2017 23:34     Заявить о нарушении
"Как прекрасен микромир, посмотри!" (из какого-то журнала)
Спасибо за отклик.
С уважением
А. Р.

Александр Расторгуев   22.05.2017 12:13   Заявить о нарушении
На это произведение написаны 4 рецензии, здесь отображается последняя, остальные - в полном списке.