Самым ошеломительным успехом принципов симметрии было, вероятно, создание кварковой модели. С момента появления ускорителей в 1930-х годах физики соударяли частицы друг с другом со все возрастающей энергией. К середине 1940-х они достигли энергий, позволяющих прощупать структуру атомного ядра, и количество частиц стало расти. Сначала были заряженные пионы и каоны. Затем нейтральный пион и нейтральный каон, первые дельта-резонансы, частица, прозванная «лямбда», заряженные сигма-частицы, ро-частицы, омега-мезон, эта-, К* и фи-мезони это было только начало. Когда Леон Ледерман спросил Энрико Ферми, что тот думает о недавнем открытии частицы, названной К20, Ферми ответил: «Молодой человек, если бы я мог упомнить названия этих частиц, я стал бы ботаником»26.
Всего физики детектировали сотни частиц, каждая из которых была нестабильной и быстро распадалась. Казалось, эти частицы никак друг с другом не связаны, и это шло вразрез с надеждой физиков на то, что законы природы будут упрощаться для более фундаментальных составляющих материи. К 1960-м годам главной исследовательской задачей стало вместить этот «зоопарк частиц» в целостную теорию.
Одним из наиболее популярных подходов в то время был следующий: попросту отказаться от желания получить объяснение и записывать свойства частиц в большую таблицуматрицу рассеяния, или S-матрицу, которая была самой противоположностью красоты и экономии. А затем пришел Марри Гелл-Манн. Он определил подходящие свойства частицназванные гиперзарядом и изоспином, и оказалось, что все частицы разделяются на симметричные группы, так называемые мультиплеты.
Позднее стало понятно: закономерности мультиплетов означают, что наблюдаемые частицы состоят из более мелких объектов, которыепо тогда еще не вполне понятным причинамникогда не детектировались сами по себе, по отдельности. Гелл-Манн назвал эти более мелкие составляющие «кварками». Более легкие объединениямезонысостоят из двух кварков, а более тяжелыебарионыиз трех. (Все мезоны нестабильны. К барионам относятся нейтроны и протоны, образующие атомное ядро.)
Симметрия получающихся систем, будучи однажды раскрытой, бросается в глаза (рис. 1). Примечательно, что, когда Гелл-Манн предложил эту идею, некоторые мультиплеты все еще были неполны. И поэтому требования симметрии побудили его предсказать существование частиц, необходимых для «дозаполнения наборов», в частности существование бариона омега-минус. Позднее тот был найден со свойствами, вычисленными Гелл-Манном, и ученый в 1969 году был награжден Нобелевской премией. Красота одержала победу над неприглядностью, постмодернистским S-матричным подходом.
Рис. 1. Декуплет барионовпример использования симметрий в теоретической физике. Гелл-Манн воспользовался его незавершенностью и предсказал существование частицы омега-минус (Ω) в нижней вершине.
Этот случай был только началом череды успехов на счету симметрий. Принципы симметрии также управляли работойувенчавшейся опять-таки успехомнад объединением электромагнитного взаимодействия со слабым в электрослабое взаимодействие. Аналогично сильное взаимодействие было объяснено симметрией между элементарными частицами. Теперь и теории относительности Эйнштейнаспециальная и общаямогли восприниматься как выражение требований симметрии.
* * *
Таким образом, современная вера в красоту как ориентир основывается на применении этого критерия в развитии Стандартной модели и общей теории относительности. Его часто оправдывают экспериментальной полезностью: замечено, что он работает, и кажется крайне целесообразным продолжать его использовать. Гелл-Манн сам сказал, что «в фундаментальной физике красивая или элегантная теория с большей вероятностью оказывается верна, чем неэлегантная теория». Ледерман, молодой человек, спрашивавший Ферми о частице К20, также впоследствии получил Нобелевскую премию и тоже обратился в веру поборников красоты: «Мы верим, что природа лучше всего описывается уравнениями как можно более простыми, красивыми, компактными и универсальными»27.
Стивен Вайнберг, также удостоенный Нобелевской премииза объединение электромагнитного и слабого взаимодействий, любит проводить аналогию с коневодством: «[Коневод] смотрит на лошадь и говорит: Прекрасная лошадь. Хотя он или она может выражать чисто эстетическое чувство, я думаю, за этим стоит нечто большее. Коневод перевидал множество лошадей и по своему опыту работы с ними знает, что вот та лошадь, которая побеждает на скачках»28.
Однако как опыт работы с лошадьми не помогает при конструировании гоночных машин, так и опыт теорий прошедшего столетия, вероятно, несильно поможет при создании теорий лучше прежних. Да и без оправдательных отсылок к опыту красота остается такой же субъективной, какой была всегда. Современные физики осознают это очевидное противоречие научному методу, однако же применение эстетических критериев стало широко распространенным. И чем дальше область исследований от экспериментальной проверки, тем больше учитывается эстетическая привлекательность соответствующих теорий.
В фундаментальной физике, которая настолько далека от экспериментальных испытаний, насколько только наука может быть, все еще оставаясь наукой, оценивание красоты особенно ярко выражено. Многие из моих коллег даже не пытаются отрицать, что уделяют больше внимания теориям, которые считают привлекательными. Их типичное предостережение против субъективных оценок неизменно сопровождается последующим «но» и отсылкой к распространенной практике.
Так, Фрэнк Вильчек, получивший в 2004 году вместе с Дэвидом Гроссом и Хью Дэвидом Политцером Нобелевскую премию за исследования сильного взаимодействия, пишет в своей книге «Красота физики», что «наше чувство прекрасного никак напрямую не приспособлено к фундаментальным работам Природы». Но: «Попробовав вкус красоты в сердце мира, мы жаждем большего. В этих поисках, я думаю, нет более многообещающего проводника, чем сама красота»29.
Герард Хоофт, первым сформулировавший математический критерий естественности, который теперь направляет значительную часть исследований в теоретической физике элементарных частиц (и тоже удостоенный Нобелевской премии), предостерегает: «Красотаопасное понятие, поскольку она всегда может вводить людей в заблуждение. Если у вас есть теория, оказавшаяся красивее, чем вы исходно ожидали, это служит намеком на то, что все верно, что вы правы. Но никаких гарантий и в помине нет. На ваш взгляд, теория, положим, и красива, но она может быть просто ошибочной. И с этим ничего не поделаешь». Но: «Разумеется, когда мы читаем о новых теориях и видим, как они красивы и просты, у них есть немалое преимущество. Мы верим, что такие теории имеют гораздо больше шансов оказаться успешными»30
Примечания
1
Зависть к физике (на англ. physics envy) осудительное выражение, которое используют, критикуя стремление «гуманитарных» наук походить на физику, то есть казаться более «строгими», за счет злоупотреблений путаной терминологией и вычурной математикой. Прим. перев.
2
Сейчас он руководит этим отделением. Прим. перев.
3
Фермилабсокращенное название Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Иллинойс, США). Прим. перев.
4
Это теорема КоулменаМандулы. Здесь и далее, если не указано иное, прим. автора.
5
Допущения можно ослабить еще больше, но ничего физически интересного из этого, похоже, не выходит; см., например, Lykken J. 1996. Introduction to supersymmetry. FERMILAB-PUB-96/445-T. arXiv:hep-th/9612114.
6
К примеру, ограничения на нейтральные токи с изменением аромата и электрический дипольный момент. См., например, Cohen A. G. et al. 1996. The more minimal supersymmetric standard model. Phys. Lett. B. 388: 588598. arXiv: hep-ph/9607394.
7
Или восходит еще к Нурдстрёму в 1905 году, хотя обычно приписывается Калуце и Клейну, поскольку Нурдстрём не работал с общей теорией относительности, которая на тот момент еще не была известна.
8
Аббревиатура «эВ» означает «электронвольт», единицу энергии. 1 ТэВ = 1012 эВ (триллион электронвольт). Большой адронный коллайдер способен создать максимально около 14 ТэВ. Поэтому говорят, что он может работать с энергиями масштаба ТэВ.
9
Галилей Г. Диалог о двух главнейших системах мираптоломеевой и коперниковой. М., Л.: ГИТТЛ, 1948. Прим. перев.
10
Ньютон И. Математические начала натуральной философии. М.: Наука, 1989. Прим. перев.
11
Лейбниц Г. В. Рассуждение о метафизике // Сочинения в четырех томах. Т. 1. М.: Мысль, 1982. Прим. перев.
12
Это называется принципом наименьшего действия.
13
Из его доклада 1937 года «Религия и естествознание»: http://vivovoco.astronet.ru/VV/PAPERS/ECCE/PHIL2.HTM. Прим. перев.
14
Цитируется по: Стюарт И. Истина и красота: всемирная история симметрии. М.: Corpus, 2010. Прим. перев.
15
Эйнштейн А. О методе теоретической физики // Собрание научных трудов. Т. 4. М.: Наука, 1967. Прим. перев.
16
Пуанкаре А. Ценность науки // О науке. М.: Наука, 1990. Прим. перев.
17
Там же. Прим. перев.
18
Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М.: Наука, 1989. Прим. перев.
19
Кварковая модель была независимо предложена примерно в то же время Джорджем Цвейгом.
20
Из лекции Гелл-Манна на площадке TED talks, март 2007 года (www.ted.com/talks/murray_gell_mann_on_beauty_and_truth_in_physics). Процитированная фраза написана на слайде. Произносит он при этом следующее: «У нас накоплен внушительный опыт в этой области фундаментальной физики, говорящий о том, что красотаочень удачный критерий при выборе правильной теории».
21
Вильчек Ф. Красота физики: постигая устройство природы. М.: АНФ, 2016. Прим. перев.