Мечты об окончательной теории - Стивен Вайнберг

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[141], 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[142] обладают удивительным свойством «асимптотической свободы»: все силы, действующие между частицами, уменьшаются с ростом энергии[143]. Как раз такое уменьшение сил и наблюдалось еще в 1967 г. в опытах по рассеянию частиц при высоких энергиях[144], 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[145], 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[146], 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[147], 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[148]; 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»[149] 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: