Если мы хотим понять и объяснить наш мир, выйдя за рамки пусть даже исчерпывающего математического описания, мы должны с полной серьезностью отнестись к 10-мерным струнным теориям или к 11-мерной М-теории и продолжать разрабатывать эти теории, компактифицируя их к нашему видимому 4-мерному миру. Часто говорят, что струнные теории очень сложны. На самом деле компактифицированные М/струнные теории – это, похоже, самые простые из идей, способных охватить и интегрировать все явления физического мира в одну логичную и последовательную математическую теорию.
Аргумент «естественности»
Питер Войт
Математический физик, Колумбийский университет. Автор книги Not Even Wrong: The Failure of String Theory and the Search for Unity in Physical Law («Даже не ошибка: Провал теории струн и поиск единства в физических законах»).
Для всех, кто сейчас следит за фундаментальной физикой и размышляет о ней, последний вопрос Edge.org очень прост, и ответ на него очевиден: на пенсию пора теории струн. Идея унифицировать физику, предложив струны, движущиеся в 10 измерениях пространства-времени, в качестве фундаментальных сущностей, родилась в 1974 году и спустя 10 лет стала главной парадигмой унификации. После 40 лет исследований и десятков тысяч опубликованных работ мы узнали только одно: это пустая идея. Она не способна ничего предсказать о чем бы то ни было, поскольку вы можете получить практически любую физику, соответствующим образом выбрав, как сделать 6 из 10 измерений невидимыми.
Несмотря на это, сторонники идеи унификации посредством теории струн отказываются признавать ее провал и часто приводят блестящий пример из воспоминаний Макса Планка, который говорил о том, что происходит, когда ученые стареют, сохраняя верность идеям, которые должны быть отброшены (см. с. 106. – Ред.). Но вместо того чтобы отказаться от ошибочной идеи, ее сторонники, как мы слышим в последнее время, призывают отказаться от общепринятых представлений о научном прогрессе. Согласно теоретикам струн, мы живем в глухом углу Мультивселенной, в которой «возможно всё», а это «возможно всё» идеально описывается теорией струн, так что фундаментальная физика себя исчерпала.
Однако назвать теорию струн в качестве единственного ответа на вопрос, какой научной идее пора в отставку, было бы излишним упрощением. Да, идея унификации посредством теории струн уже давно себя изжила, но эта идея – всего лишь одна из обширного круга ошибочных теорий, появившихся в те же годы. В их число входят схемы так называемого Великого объединения, постулирующие существование новых взаимодействий и частиц и обычно ссылающиеся на некую новую «суперсимметрию», которая связывает известные взаимодействия и частицы с невидимыми «суперпартнерами». Надо сказать, что помимо обнаружения предсказанной частицы Хиггса, еще одним великим открытием, сделанным на Большом адронном коллайдере, был тот факт, что этих суперпартнеров, предсказанных многими теоретиками, не существует.
Эпоха до и после 1974 года принесла нам не только теорию струн, Великое объединение и суперсимметрию, но и нечто, именуемое аргументом «естественности». Мысль здесь в том, что наша лучшая модель физики частиц, Стандартная модель – это всего лишь «эффективная теория», приближение, актуальное только в масштабе наблюдаемых расстояний. Покойный Кеннет Уилсон учил нас, как пользоваться методом «ренормализационной группы» (renormalization group) не только для того, чтобы экстраполировать поведение теории на короткие расстояния, которые мы не можем наблюдать, но и действовать в обратном порядке, то есть находить эффективную теорию для фундаментальной теории, определенной на ненаблюдаемо коротких расстояниях.
«Естественность» стала частью спекулятивной картины, появившейся в середине 1970-х: сложная новая физика, включающая ненаблюдаемые струны и ненаблюдаемых суперпартнеров, постулированная для очень коротких расстояний, причем «естественная» теория и была тем единственным, что оставалось видимым для нас. В этой картине как раз техническая «естественность» гарантирует, что мы не можем видеть никаких сложностей, привнесенных ненаблюдаемо малыми струнами или суперпартнерами.
Уилсон был одним из первых, кто указал, что Стандартная модель является в основном «естественной», хотя и не полностью таковой, имея в виду поведение частицы Хиггса. Сначала он доказывал, что это означает, что с энергиями Большого адронного коллайдера (БАК) мы должны увидеть не частицу Хиггса, а что-то другое. Сторонники идеи суперпартнеров доказывали, что такие частицы должны существовать примерно при таких же энергиях, как и частица Хиггса, поскольку – если так – их можно было бы использовать, чтобы отменить «неестественность». Задолго до того, как запустили БАК, Уилсон отмел этот аргумент как грубо ошибочный, решив, что нет никаких веских причин не увидеть «неестественную» частицу Хиггса. Чувствительность его поведения к тому, что происходит на очень коротких расстояниях, не является веским аргументом против этого, поскольку мы просто не знаем, что именно происходит на таких расстояниях.
Наблюдение в БАК частицы Хиггса (но не суперпартнеров) вызвало среди теоретиков великое оцепенение. Случилось нечто такое, чего просто не могло быть, – в этом были согласны все доказательства, полученные за последние 40 лет и уже закрепленные в учебниках. Выдвигаются предположения, что это еще одно свидетельство в пользу существования Мультивселенной. С этой «антропной» точки зрения, пусть что-то происходит на коротких расстояниях где-то в далеких вселенных-пузырьках, разбросанных по Мультивселенной, но в нашей Вселенной-пузырьке мы видим нечто «неестественно» простое, потому что иначе нас бы здесь не было. Появление таких доводов показывает, что отправить в отставку аргумент «естественности» (вместе с запредельной сложностью теории струн и суперпартнеров) нужно было уже давно.
Коллапс волновой функции
Фримен Дайсон
Почетный профессор физики, Институт перспективных исследований. Автор книги A Many-colored Glass: Reflections on the Place of Life in the Universe («Разноцветное стекло: Размышления о месте жизни во Вселенной»).
Девяносто лет назад Эрвин Шрёдингер придумал волновую функцию как метод описания поведения атомов и других маленьких объектов. Согласно правилам квантовой механики, движение объектов непредсказуемо. Волновая функция говорит нам только о вероятностях возможных движений. Когда объект наблюдается, наблюдатель видит, где тот находится, и неопределенность движения исчезает. Знание устраняет неопределенность. Здесь нет никакой загадки.
К сожалению, те, кто пишет о квантовой механике, часто используют выражение «коллапс волновой функции», чтобы объяснить то, что происходит, когда объект наблюдается. Эта фраза вводит в заблуждение, наводя на мысль, что сама волновая функция является физическим объектом. Физический объект может коллапсировать, если врезается в препятствие. Но волновая функция не может быть физическим объектом. Волновая функция – это описание вероятности, а вероятность – это признание в неведении. Неведение не есть физический объект, и волновая функция тоже. Когда новое знание приходит на смену неведению, с волновой функцией не происходит коллапса; она просто становится ненужной.
Квантовые скачки
Дэвид Дойч
Физик, Оксфордский университет. Автор книги The Beginning of Infinity: Explanations That Transform the World. Лауреат премии Edge.org в области компьютерных наук.
Термин «квантовый скачок» вошел в повседневный обиход как метафора большого изменения, нарушающего непрерывность. Он также широко распространен в обширной, но весьма унылой области лженауки и мистицизма.
Этот термин пришел из физики и действительно используется физиками (хотя редко употребляется в печатных работах). Он указывает на тот факт, что множество состояний квантовой физической системы часто бывает дискретно. Однако в квантовой физике нет такого явления, как квантовый скачок. Согласно законам квантовой теории, изменение всегда непрерывно и в пространстве, и во времени. Хорошо, возможно, некоторые физики всё еще признают одно исключение, а именно так называемый коллапс волновой функции, когда объект сознательно и намеренно наблюдается. Но эта бессмыслица – не та бессмыслица, которую я в данном случае имею в виду. Я говорю о заблуждениях, относящихся даже к субмикроскопическому миру, например таких: «Когда электрон в состоянии высокой энергии переходит на уровень с более низкой энергией, испуская фотон, он совершает квантовый скачок с одной орбиты на другую, не проходя через промежуточные состояния».
Или еще хуже: «Когда электрон в туннельном диоде подходит к барьеру, на проникновение через который у него не хватает энергии (так что по законам классической физики он бы отскочил), квантовый феномен туннелирования позволяет ему таинственным образом появиться по другую сторону барьера, при этом не побывав в районе, где у него была бы отрицательная кинетическая энергия».
Правда заключается в том, что в таких ситуациях электрон имеет не какую-то одну энергию или позицию, а набор энергий и позиций, и сам этот допустимый набор может изменяться со временем. Если бы весь ряд энергий туннелирующей частицы был ниже требуемого для преодоления барьера, то она бы действительно отскочила. А если бы электрон в атоме действительно был на дискретном уровне энергии и не произошло бы никакого вмешательства, способного это изменить, то электрон никогда бы не совершил переход ни к какой другой энергии.
Квантовые скачки являются примером того, что было принято называть «действием на расстоянии»: когда что-то в одном месте оказывает воздействие в другом месте без посредничества чего-либо физического. Ньютон называл эту идею «таким великим абсурдом, что, думаю, ни один человек, обладающий компетентным научным мышлением в философских вопросах, в него не впадет». Эта ошибка имеет аналоги в областях, очень далеких от классической и квантовой физики. Например, в политической философии квантовый скачок называется революцией, и абсурдное заблуждение заключается в том, что прогресса будто бы можно добиться, насильственно уничтожив существующие политические институты и начав всё на пустом месте. В философии науки – это идея Томаса Куна о том, что наука идет вперед через революции, то есть через победы одной научной школы над другой, поскольку сознательно изменить собственные «парадигмы» не способна ни та, ни другая сторона. В биологии аналог квантового скачка называется сальтацией – появлением новой адаптации уже в следующем поколении, и абсурдная теория, допускающая столь стремительные эволюционные изменения, именуется сальтационизмом.
Ньютон был неправ в том, что бывает какой-то максимальный размер ошибки, которую может совершить компетентный специалист, но он прав в том, что эта конкретная ошибка огромна. Во всех своих версиях она ошибочна по одной причине: во всех случаях расчет делается на то, что необходимая информация возьмется ниоткуда. В реальности пространство по другую сторону барьера не может «знать», что в нем появится электрон, а не протон или бозон, пока этого пространства не достигнет некое физическое изменение, исходящее из электрона. Это справедливо и в том случае, когда речь идет не о пространственном разрыве, а о непосредственно информационном: политические институты и биологические виды хранят информацию – знание о том, как сложным системам лучше справляться с вызовами, а знание создается только в процессе постепенных перемен и отбора. И концепция Куна не может объяснить, каким образом науке удается во все ускоряющемся темпе наращивать знания о физической реальности.
Во всех этих областях понятие квантового скачка прикрывает собой отказ от объяснения и таким образом, по сути дела, взывает к сверхъестественному. Это логика карикатуры Сидни Харриса «А потом случилось чудо», на которой математик у доски заполняет этими словами пробел в доказательстве. Как говорит Ричард Докинз, «сальтационизм – это креационизм». И в любых обстоятельствах реальность, которая заполняет разрывы, идея, которая действительно объясняет явление, – вещи гораздо более интересные и восхитительные, чем любая вера со всей ее таинственностью.
Причина и следствие
Дэниел Хиллис
Физик, ученый-компьютерщик, сопредседатель компании Applied Minds, LLC. Автор книги The Pattern on the Stone («Шаблон на камне»).
Мы, люди, по природе своей рассказчики. Мы любим организовывать события в цепочки причин и следствий и объяснять последствия наших действий. Мы любим приписывать заслуги и находить виноватых. Это имеет смысл с эволюционной точки зрения. Главная работа нашей нервной системы состоит в том, чтобы принимать решения, которые можно выполнить, и для нашего выживания очень важно уметь предсказывать последствия этих решений.
Наука – это богатейший источник выдающихся объясняющих историй. Например, Ньютон объяснил, как сила заставляет массу ускоряться. Это подарило нам историю о том, как яблоко падает с дерева и как наша планета обращается вокруг Солнца. Это позволяет нам решить, с какой силой двигатель должен толкать ракету, чтобы доставить ее на Луну. Объяснения следствий причинами позволяют нам строить сложные машины вроде фабрик или компьютеров, в которых действуют невероятно длинные цепи причин и следствий. Они конвертируют вводные данные в те результаты, которые нам нужны.
Велик соблазн поверить в то, что наши истории о причинах и следствиях достоверно отражают реальное взаимодействие в окружающем мире. На самом же деле это просто схемы, которые мы используем для того, чтобы манипулировать миром и создавать объяснения, удобные для нашего понимания. Например, уравнение Ньютона F = ma на самом деле не в большей степени говорит о том, что сила вызывает ускорение, чем о том, что масса вызывает силу. Мы склонны думать о силе как условном факторе, поскольку у нас часто есть выбор, использовать ее или нет. С другой стороны, мы склонны думать о массе, что она существует вне нашего контроля. Таким образом, мы персонифицируем природу, чуть ли не воображая, что природные силы «решают» двигать массы. Нам гораздо труднее представить себе, что ускорения «решают» вызвать массу, поэтому мы и рассказываем эту историю удобным нам образом. Мы ставим силе притяжения в заслугу то, что она удерживает планеты на солнечной орбите, и ставим ей в вину то, что яблоко падает с дерева.
Эта удобная персонификация природы помогает нам использовать наш когнитивный аппарат рассказчиков, чтобы объяснять окружающий нас мир. Парадигма причины и следствия особенно хорошо работает, когда наука используется для конструирования, для обустройства мира к нашему удобству. В этом случае мы истолковываем явления таким образом, что иллюзия причины и следствия кажется почти реальностью. Наилучший пример – компьютер. Ключ к работе компьютера – то, что ввод (input) влияет на вывод (output), а не наоборот. Компоненты, используемые для постройки компьютера, сконструированы таким образом, чтобы обеспечить подобное одностороннее движение. Эти компоненты, такие как логический вентиль, специально разработаны для того, чтобы конвертировать условные входные сигналы в предсказуемые выходные. Другими словами, логический вентиль компьютера представляет собой крошечный строительный блок причинно-следственной парадигмы.
Однако эта парадигма проваливается, когда элемент, о котором нам нравится думать как о выходном сигнале, вдруг начинает влиять на то, что мы предпочитаем считать входом. Наилучшим примером этого могут служить парадоксы квантовой механики, где одно только наше наблюдение частицы «вызывает» изменение состояния другой, удаленной частицы. Конечно, в действительности здесь нет никакого парадокса, а всего лишь неудачный результат попытки применить нашу схему изложения к ситуации, к которой эта схема не подходит.