Одна из проблем, которая с самого начала мучает теорию, заключается в вопросе о соотношении между реальностью и формализмом. Физики традиционно ожидают, что наука должна давать оценку реальности такой, какой она была бы в наше отсутствие. Физика должна быть больше, чем набор формул, которые предсказывают, что мы будем наблюдать в эксперименте; она должна давать картину того, какова реальность на самом деле. Мы являемся случайными потомками древних приматов, которые появились в истории мира лишь совсем недавно. Не может быть, что реальность зависит от нашего существования. Проблема отсутствия наблюдателей не может быть решена и путём обращения к возможности существования чужих цивилизаций, так как было время, когда мир существовал, но был слишком горячим и плотным, чтобы существовал организованный разум.
Философы называют такую точку зрения реализмом. Она может быть обобщена через высказывание, что «реальный мир вон там» (RWOT — real world out there, сокращение, которое использовал для его обозначения мой первый учитель философии) должен существовать независимо от нас. Отсюда следует, что термины, в которых наука описывает реальность, не могут включать любым существенным образом тот факт, что мы выбираем, измерять нам или не измерять.
Квантовая механика, по меньшей мере, в той форме, в которой она была впервые предложена, не подгоняется легко под реализм. Это происходит из-за того, что теория предполагает разделение природы на две части. С одной стороны разделения имеется наблюдаемая система. Мы, наблюдатели, находимся с другой стороны. С нами имеются инструменты, которые мы используем при проведении экспериментов и осуществлении измерений, и часы, которые мы используем, чтобы записать, когда произошли те или иные вещи. Квантовая теория может описываться, если использовать новый вид языка, в диалоге между нами и системой, которую мы исследуем нашими инструментами. Этот квантовый язык содержит глаголы, которые обозначают наши приготовления и измерения, и существительные, которые обозначают, что затем наблюдается. Он ничего не говорит нам о том, как будет выглядеть мир в наше отсутствие.
С момента первого предложения квантовой теории бушуют дебаты между теми, кто принимает такой путь подхода к науке, и теми, кто отвергает его. Многие основатели квантовой механики, включая Эйнштейна, Эрвина Шрёдингера и Луи де Бройля, находили такой подход к физике отвратительным. Они были реалистами. Для них квантовая теория, независимо от того, насколько хорошо она работает, была неполной теорией, поскольку она не обеспечивала картину реальности в отсутствие нашего взаимодействия с ней. На другой стороне были Нильс Бор, Вернер Гейзенберг и многие другие. Вместо того, чтобы ужасаться, они принимали такой новый путь подхода к науке.
С тех пор реалисты добились некоторых успехов в обозначении непоследовательности существующей формулировки квантовой теории. Некоторые из этих очевидных непоследовательностей возникают вследствие того, что квантовая теория, если она универсальна, должна также описывать нас самих. При этом возникают проблемы из-за разделения мира, которое требуется, чтобы придать смысл квантовой теории. Одна трудность заключается в том, где вы должны провести разделительную линию, которая зависит от того, кто проводит наблюдение. Когда вы измеряете атом, вы и ваши инструменты находятся по одну сторону, а атом по другую сторону. Но допустим, что я наблюдаю за вашей работой через видеокамеру. Я настроился на вашу лабораторию. Я могу рассматривать всю вашу лабораторию — включая вас и ваши инструменты, точно так же, как и атомы, с которыми вы манипулируете, — как составные части одной системы, которую я наблюдаю. С другой стороны буду только я.
Следовательно, вы и я описываем две разные «системы». Ваша включает только атом. Моя включает вас, атом и всё то, что вы используете для его исследования. То, что вы рассматриваете как измерение, я рассматриваю как две физические системы, взаимодействующие друг с другом. Таким образом, даже если вы согласны, что хорошо иметь воздействие наблюдателя как часть теории, теория как таковая не достаточна. Квантовая механика должна быть расширена, чтобы учесть многие другие описания, зависящие от того, кто наблюдатель.
Вся эта проблема известна под названием проблемы обоснований квантовой механики. Она является второй великой проблемой современной физики.
Имеется несколько различных путей, как это можно сделать.
1. Обеспечить осмысленный язык для теории, который разрешает все головоломки вроде той, что только что была упомянута, и включает в себя разделение мира на систему и наблюдателя как существенную особенность теории.
2. Найти новую интерпретацию теории — новый способ прочтения уравнений, — которая реалистична, так что измерение и наблюдение не будут играть роли в описании фундаментальной реальности.
3. Изобрести новую теорию, такую, которая бы дала более глубокое понимание природы, чем это делает квантовая механика.
Все три пути в настоящее время исследуются небольшим числом умных людей. К сожалению, не многие физики работают над данной проблемой. Временами это принимается за указание, что проблема или решена, или не важна. Ни то ни другое не верно. Это, вероятно, самая серьёзная проблема, стоящая перед современной наукой. Просто она столь трудна, что прогресс очень мал. Я глубоко восхищаюсь физиками, которые работают над ней, как из-за чистоты их усилий, так и из-за их мужества игнорировать моду и атаковать тяжелейшую и самую фундаментальную из проблем.
Но, несмотря на их лучшие попытки, проблема остаётся нерешённой. Это указывает для меня на то, что дело не только в нахождении нового способа размышлений о квантовой теории. Те, кто изначально формулировал теорию, не были реалистами. Они не верили, что человек способен сформировать правильную картину мира, как он существует независимо от наших действий и наблюдений. Вместо этого они отстаивали совершенно иной взгляд на науку: с их точки зрения наука может быть ничем иным, как расширением обычного языка, который мы используем для описания наших действий и наблюдений, до другого языка.
В более давние времена такой взгляд казался оправданным — продукт времени, когда мы надеялись, что мы продвинулись вперёд во многих отношениях. Те, кто продолжает защищать квантовую механику в том виде, как она была сформулирована, и предлагает её как теорию мира, действуют так обычно под знаменем реализма. Они ратуют за переинтерпретацию теории в русле реализма. Однако, хотя они и сделали некоторые интересные предложения, никого полностью не убедили.
Возможно, что это связано с тем, что реализм как философия просто вымер, но это кажется невероятным. В конце концов, реализм обеспечивает мотивацию, двигающую большинство учёных. Для большинства из нас, верящих в «реальный мир вон там» (RWOT) и в возможность правильного знания, он обеспечивает мотивацию для тяжёлой работы, необходимой, чтобы стать учёным и внести свой вклад в понимание природы. Если признать неудачу реалистов в придании смысла квантовой теории в её исходной формулировке, становится всё более и более вероятным только путь три: открытие новой теории, которая будет более подвержена реалистической интерпретации.
Я должен признать, что я реалист. Я на стороне Эйнштейна и других, кто верил, что квантовая механика является неполным описанием реальности. Тогда где мы должны искать, что неверно квантовой механике? Мне всегда казалось, что решение будет требовать более чем глубочайшего понимания самой квантовой физики. Я верю, что если проблема не была решена после всех прошедших времён, это происходит из-за некоторых ошибок, из-за некоторых связей с другими проблемами физики. Невероятно, чтобы проблема квантовой механики была решена изолированно, напротив, решение, вероятно, будет появляться по мере достижения нами прогресса в величайшей задаче унификации физики.
Но, если это верно, это работает в обе стороны: мы не сможем решить другие большие проблемы без нахождения также осмысленной замены для квантовой механики.
Идея, что физика должна быть унифицирована, вероятно, вызвала больше работ в физике, чем любая другая проблема. Но имеются различные пути, по которым физика может быть унифицирована, и мы должны постараться различить их. До сих пор мы обсуждали унификацию через отдельный закон. Непросто увидеть, как кто-то может не согласиться, что это необходимая цель.
Но имеются другие пути унификации мира. Эйнштейн, который определённо думал об этом более любого другого, подчёркивал, что мы должны различать два вида теорий. Это теории принципов и конструктивные теории. Теория принципов устанавливает систему взглядов, которая делает возможным описание природы. По определению, теория принципов должна быть универсальной: она должна быть применима ко всему, поскольку она устанавливает основной язык, который мы используем, чтобы говорить о природе. Не может быть двух различных теорий принципов, применимых к различным областям природы. Поскольку мир един, всё, в конечном счёте, взаимодействует со всем другим, и может быть только один язык, используемый для описания этих взаимодействий. Квантовая теория и общая теория относительности обе являются теориями принципов. Раз так, логика требует их объединения.
Другой вид теорий, конструктивные теории, описывают некоторые отдельные явления в терминах специфических моделей или уравнений[8]. Теория электромагнитного поля и теория электрона есть конструктивные теории. Такие теории не могут устанавливаться в одиночестве; они должны быть встроены в контекст теории принципов. Но до тех пор, пока теория принципов не появилась, могут существовать явления, подчиняющиеся различным законам. Например, электромагнитное поле подчиняется законам, отличным от законов, управляющих теоретически допустимой космологической тёмной материей (её количество, как полагают, значительно превышает количество ординарной атомной материи в нашей вселенной). Одна из вещей, которую мы знаем о тёмной материи независимо от того, что она из себя представляет, это то, что она тёмная. Это означает, что она не испускает света, так что она, вероятно, не взаимодействует с электромагнитным полем. Поэтому две различные теории могут сосуществовать бок о бок.
Дело в том, что законы электромагнетизма не диктуют, что ещё может существовать в мире. Там могут быть кварки или нет, нейтрино или нет, тёмная материя или нет. Аналогично, законы, которые описывают два взаимодействия — сильное и слабое, — которые действуют внутри атомных ядер, не обязательно требуют, чтобы там были и электромагнитные силы. Мы можем легко представить мир, в котором есть электромагнетизм, но нет сильного ядерного взаимодействия, или наоборот.
Но всё ещё возможно спросить, не могут ли силы, которые мы наблюдаем в природе, быть проявлениями единственной, фундаментальной силы. Тут кажется, насколько я могу судить, нет логических аргументов, что это должно быть верно, но это всё ещё является чем-то, что может быть верным.
Страстное желание объединить различные силы привело к нескольким существенным продвижениям в истории физики. Джеймс Клерк Максвелл в 1867 году объединил электричество и магнетизм в одну теорию, а столетием позже физики обнаружили, что электромагнитное поле и поле, которое распространяет слабые ядерные силы (силы, отвечающие за радиоактивный распад), могут быть объединены. Такой теорией стала электрослабая теория, предсказания которой раз за разом подтверждались в экспериментах на протяжении последних тридцати лет.
Имеются две фундаментальных силы природы (из тех, что мы знаем), которые остаются за пределами объединения электромагнитных и слабых сил. Это гравитация и сильное ядерное взаимодействие, отвечающее за связь между собой частиц, именуемых кварками, чтобы сформировать протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра. Можно ли объединить все четыре фундаментальные силы?
Это наша третья великая проблема.
Назовём эту проблему проблемой объединения частиц и сил, чтобы отличить её от унификации законов, которую мы обсудили ранее.
Во-первых, эта проблема легко появилась. Первое предположение, как объединить гравитацию с электричеством и магнетизмом, было сделано в 1914-м, и с тех пор было предложено намного больше. Все они работают, пока вы забываете одну вещь, что природа является квантовомеханической. Если вы исключаете квантовую физику из картины, унифицирующие теории легко придумываются. Но если вы включаете квантовую теорию, проблема становится намного, намного более тяжёлой. Поскольку гравитация является одной из четырёх фундаментальных сил природы, мы должны решить проблему квантовой гравитации (то есть, проблему номер 1: как примирить ОТО и квантовую теорию) вместе и параллельно с проблемой унификации.
За последнее столетие наше физическое описание мира значительно упростилось. Раз уж речь идёт о частицах, они проявляются только в двух видах: кварки и лептоны. Кварки являются составляющими протонов и нейтронов и многих частиц, которые мы аналогично им открыли. Класс лептонов охватывает все частицы, не состоящие из кварков, включая электроны и нейтрино. Обобщая, известный мир объясняется шестью видами кварков и шестью видами лептонов, которые взаимодействуют друг с другом посредством четырёх сил (или, как их ещё называют, взаимодействий): гравитации, электромагнетизма, и слабых и сильных ядерных взаимодействий.
Двенадцать частиц и четыре взаимодействия это всё, что нам нужно, чтобы объяснить всё что угодно в известном мире. Мы также очень хорошо понимаем основную физику этих частиц и сил. Это понимание выражено в терминах теории, которая применима для всех этих частиц и всех сил, исключая гравитацию. Она называется стандартной моделью физики элементарных частиц — или стандартной моделью, для краткости. Эта теория не имеет отмеченных ранее проблем с бесконечностями. Всё, что мы хотим рассчитать в этой теории, мы можем рассчитать, и результаты выражаются в конечных числах. За более чем тридцать лет с момента формулирования стандартной модели многие предсказания этой теории были экспериментально проверены. В каждом и любом случае теория подтверждалась.
Стандартная модель была сформулирована в начале 1970-х. За исключением открытия, что нейтрино имеют массу, она не требовала до сих пор корректировки. Так почему физики не стало после 1975 года? Что осталось сделать?
При всей её полезности стандартная модель имеет большую проблему. Она имеет длинный список подгоночных констант. Когда мы устанавливаем законы теории, мы должны определить величины этих констант. Насколько мы знаем, могут быть использованы любые величины, поскольку теория математически состоятельна вне зависимости от того, какие величины мы в неё вставляем. Эти константы определяют свойства частиц. Некоторые говорят нам о массах кварков и лептонов, другие говорят нам о величине сил. У нас нет идей, почему эти числа имеют ту величину, какую имеют, мы просто определяем их через эксперименты, а затем подставляем числа в теорию. Если вы подумаете о стандартной модели как о калькуляторе, то константы будут вводимыми числами, такими, что может быть набор любых позиций, которые вам нравятся, каждый раз, когда программа запускается на выполнение.
Имеется около двадцати таких констант, и тот факт, что имеется так много свободно определяемых констант, которые должны быть подставлены в фундаментальную теорию, является жутким затруднением. Каждая константа представляет некоторый основополагающий факт, который мы игнорируем: а именно, физический механизм или основания, отвечающие за выбор константы в её наблюдаемой величине.