Мечты об окончательной теории - Стивен Вайнберг

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[131] (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.