Природа самообмана в точных науках

«Теория Всего» без наблюдений, опытов и предсказаний

С 25 по 29 июня 2018 в Японии, в стенах Института науки и технологий на острове Окинава, проходила очередная научная конференция физиков-теоретиков Strings 2018. Такого рода масштабные встречи ученых специалистов со всего мира проходят в самых разных местах планеты ежегодно, однако нынешний форум был весьма особенным. По той причине, прежде всего, что нынешний год – это дата «золотого юбилея» или 50-летия струнной теории.

Открывая конференцию, глава её оргкомитета Хироши Оогури характерно неудачно пошутил по поводу одной весьма болезненной для теории струн темы. Отметив, что организаторы весьма тщательно спланировали время проведения форума именно на такой период, когда сезон дождей уже закончился, Оогури тут же решил сострить: «И кто же теперь может говорить, будто струнные теоретики не делают никаких предсказаний?».

Неудача с шуткой стала очевидна очень скоро. Едва торжественная часть заседания сменилась перерывом на ланч-перекус, как тут же начался сильнейший тропический ливень. Природа и её погода опровергли даже такое предсказание ученых-физиков, которое вообще никак не опиралось на уравнения их струнной теории…

Для всех, кто смутно представляет себе особенности нынешней жизни большой теоретической науки, сразу же надо подчеркнуть такой факт. Теория струн – это в высшей степени примечательная, в некотором смысле даже уникальная разновидность фундаментальной физики.

Выстроенная на бесспорно сильной, глубоко и широко простирающейся математике, струнная теория красиво и органично оперирует такими вещами, в которых остро нуждаются теоретики для общего прогресса в квантовой физике и для её объединения с теорией гравитации. В частности, для этого необходимы частицы гравитоны и суперсимметрия, сводящая в единую взаимосвязанную структуру все частицы природы. Теория же струн, как демонстрируют её разработчики, все эти нужные, но пока гипотетические вещи имеет в своих уравнениях естественным образом.

Тяжелейшая проблема струнных теоретиков, однако, заключается в том, что вещи НЕ гипотетические, а совсем напротив, вещи реальные – конкретно ту трех-четырех-мерную физику, которая наблюдается в природе – в решениях многомерных уравнений этой теории почему-то отыскать совершенно не удается…

Иначе говоря, на сегодняшний день у разработчиков теории струн нет вообще никаких идей о таких экспериментах в физике частиц, результаты которых могли бы хоть как-то продемонстрировать реальные преимущества этого направления по сравнению с остальными. И даже хуже того, в последние годы стало ясно, что у теории струн имеются принципиального характера трудности с тем, чтобы согласовать свои уравнения с особенностями наблюдаемой вселенной (в частности, с геометрией пространства де Ситтера, как это именуют на техническом жаргоне ученых).

Но хотя все подобные факты, свидетельствующие о полной оторванности теории от жизни, уже давно отнюдь не новость, наиболее рьяным струнным апологетам это ничуть не мешает по сию пору громко заявлять, что их Теория Струн – это единственный реальный кандидат на физическую «Теорию Всего». Ныне, правда, очень сильные сомнения на данный счет явно обозначились даже в лагере самих струнных теоретиков. Яркую иллюстрацию чему и предоставила конференция Strings 2018, особенно в своей финальной части.

Завершала мероприятие большая коллективная дискуссия в честь Золотого Юбилея Струнной Теории. Участники дискуссии были в равной степени представлены и основателями теории из 1960-80-х, и героями второй струнной революции 1990-х, а также и нынешним поколением молодых теоретических дарований. Каждому из именитых участников – Габриэле Венециано, Майкл Грин, Джон Шварц, Хуан Малдасена, Ева Силверстейн, Дэн Харлоу – была предоставлена возможность для краткого выступления с изложением своего личного видения итогов и перспектив их замечательной теории, достигшей столь солидного возраста.

К разочарованию аудитории, ничего содержательного в смысле светлых и обнадеживающих перспектив ни у кого из выступавших не прозвучало. Когда же речь дошла до ответов светил на вопросы из зала, то общая унылость ситуации стала предельно очевидна – коль скоро аудитория, славшая записки с вопросами, полностью состояла из нескольких сотен тех же струнных теоретиков, только менее авторитетных.

Имеет смысл воспроизвести эти вопросы в переводе с транскрипции видеозаписи (https://www.youtube.com/watch?v=PlbGhv0nmJ8). Данную часть мероприятия вел знаменитый физик-теоретик, нобелевский лауреат Дэвид Гросс (получивший высокую научную награду за работу в существенно другой области физики частиц, никак не связанной с теорией струн). Он собрал и обобщил записки в такой форме:

Дэвид Гросс: Множество вопросов имеет отношение к взаимосвязям между струнной теорией и экспериментами реального мира. Некоторые из этих тем уже поднимались участниками дискуссии. Позвольте мне просто озвучить основные из этих вопросов, и посмотрим, не захотите ли вы вкратце на них ответить:

– Как долго еще сможет выживать струнная теория без экспериментальной проверки? В какой момент она станет не физикой, а математикой?

– Способна ли струнная теория выжить как теория физического мира, если в её рамках не удается обосновать подтверждаемую наблюдениями геометрию пространства де Ситтера, а суперсимметрия отвергнута результатами экспериментов?

– В течение следующих 50 лет ожидаете ли вы хоть каких-то физически значимых результатов (то есть достойных Нобелевской премии), которые могли бы исходить от струнной теории?

– Забросила ли струнная теория (базовую прежде идею о том, чтобы продвинуть) физику частиц?

– Когда и где вы предвидите действительное подтверждение верности струнной теории в области физики частиц или в космологии (помимо древнего аргумента о существовании гравитона)?

– В какой области физики вы ожидаете первое наблюдение предсказаний струнной теории?

– Как могло бы выглядеть такое предсказание струнной теории, которое можно было бы проверить в лаборатории, но при этом никакая из моделей теории поля такого же предсказания дать бы не могла?

– Насколько большая часть струнного сообщества уже отказалась от цели связать струнную теорию со Стандартной моделью и наблюдательной космологией?

– Суперсимметрию так и не удалось увидеть в экспериментах. Что нам теперь делать? Нормально ли это – продолжать верить, будто струнная теория – это по-прежнему «теория всего»?

Дэвид Гросс: Итак, набор вопросов для данного сообщества весьма симптоматичен. И как мне представляется, для тех участников сообщества, кто помоложе, все это звучит, наверное, довольно тревожно…

Как же ответили научные светила на столь тревожные вопросы своих коллег? Увы-увы, совсем никто из мудрейших участников дискуссии ничего содержательного по сути обозначенных проблем ответить тут не сумел.

Самое простое и циничное тому объяснение звучит примерно так. Ну кто же из авторитетов открыто вам признается, что их замечательная теория даже полвека спустя оказалась совершенно не способна работать как реальная физика? Все понимают, что такое признание означает резкое падение престижа и очень болезненное урезание фондов финансирования. Пребывая в здравом уме, никто не станет пилить тот сук, на котором сидит…

Помимо скучной прозы и циничного прагматизма, однако, есть в данной ситуации другой весьма важный поучительный компонент, куда более глубокий и общий для всей теоретической физики в целом. Причем действительно содержательный комментарий именно по этому поводу можно найти в довольно давних текстах от выдающегося российского математика Владимира Арнольда. Комментарий его, правда, относился вовсе не к Теории Струн. Но тут куда важнее собственно суть сформулированных ученым идей.

Самообман как результат отравления «ядом образования»…

Ровно двадцать лет тому назад, в 1998, знаменитый ученый с мировым именем, академик и лауреат всяческих премий Владимир Игоревич Арнольд опубликовал небольшую, но на редкость острую статью в журнале «Успехи математических наук» [VA]. Статья носила название «О преподавании математики» и действительно была целиком посвящена кризису образования именно в этой науке, самой точной и строгой среди всех прочих.

По прочтении арнольдова текста, однако, несложно увидеть, что почти все там сказанное вполне можно соотносить и с физикой, и с её нынешними серьезными кризисами – как в фундаментальной теории, так и в преподавании. Почему это так отчетливо соотносится, объясняет сам Арнольд, причем в первых же строках своей статьи:

Математика – часть физики. Физика – экспериментальная, естественная наука, часть естествознания. Математика – это та часть физики, в которой эксперименты дешевы.

Тождество Якоби, вынуждающее высоты треугольника пересекаться в одной точке, – такой же экспериментальный факт, как то, что Земля круглая. Но только обнаружить его можно с меньшими затратами.

По мнению Владимира Арнольда, в середине XX века с естествознанием произошла большая беда – когда научные администраторы и сами ученые стали методично разделять математику и физику на существенно разные научные дисциплины. Другой большой-знаменитый человек науки, математик по образованию и физик по профессии Фримен Дайсон, кстати говоря, весьма убедительно показывает, что столь опрометчивое разделение началось намного раньше, еще во второй половине XIX века [FD]. Но как бы там ни было, последствия этого «развода» между физикой и математикой оказались явно нехорошими. Арнольд называет их еще сильнее – «катастрофическими». Ибо к настоящему времени

«Выросли целые поколения математиков, незнакомых с половиной своей науки, и, естественно, не имеющих никакого представления ни о каких других науках. Они начали учить своей уродливой схоластической псевдоматематике сначала студентов, а потом и школьников».

В статье Арнольда приводится достаточно подробностей о том, как в науке создавалось и стало господствовать «уродливо извращенное», схоластическое построение математики. Такой математики, которая искусственно конструируется из наборов абстрактных аксиом, а все, кто этому учит и этому обучается, уже в равной степени не имеют ни малейшего понятия, как эти вещи соотносятся с природой окружающего мира.

При этом, что Арнольд подчеркивает особо, теории современной математики и физики по-прежнему создаются по одному и тому же давно освоенному в науке рецепту:

Схема построения математической теории совершенно такая же, как в любой естественной науке. Сначала мы рассматриваем какие-либо объекты и делаем в частных случаях какие-то наблюдения. Потом мы пытаемся найти пределы применимости своих наблюдений, ищем контрпримеры, предохраняющие от неоправданного распространения наших наблюдений на слишком широкий круг явлений.

В результате мы по возможности четко формулируем сделанное эмпирическое открытие. После этого наступает трудный период проверки того, насколько надежны полученные заключения. Здесь в математике разработана специальная технология, которая в применении к реальному миру иногда полезна, а иногда может приводить и к самообману. Эта технология называется моделированием.

Именно с этим вот моментом – о том, как модели теоретиков приводят науку к самообману – имеет смысл разобраться как можно более тщательно и подробно. Потому что все базовые теории нынешней фундаментальной физики – от физики частиц микромира до космологии вселенной в целом – сконструированы на основе математических моделей. А всякая модель чревата известными коварными засадами:

При построении модели происходит следующая идеализация: некоторые факты, известные лишь с некоторой долей вероятия или лишь с некоторой точностью, признаются «абсолютно» верными и принимаются за «аксиомы». Смысл этой «абсолютности» состоит ровно в том, что мы позволяем себе оперировать с этими фактами по правилам формальной логики, объявляя «теоремами» все то, что из них можно вывести.

Понятное дело, что ни в какой реальной деятельности полностью полагаться на подобные дедукции невозможно. Причиной является хотя бы то, что параметры изучаемых явлений никогда не бывают известными нам абсолютно точно, а небольшие изменения параметров (например, начальных условий процесса) могут совершенно изменить результат.

Здесь, вероятно, следует напомнить, что героиня предыдущего раздела – физическая Теория Струн как потенциальная «Теория Всего» – на протяжении всех 50 лет своей истории развивается в полном отрыве от «реальной деятельности» физиков. То есть как сугубо абстрактное направление «физической математики». Однако и в математике, как подчеркивает Арнольд, с моделями следует обращаться также весьма аккуратно:

Совершенно таким же образом небольшое изменение аксиом (в которых ведь мы точно уверены быть не можем) способно, вообще говоря, привести к иным выводам, чем дают выведенные из принятых аксиом теоремы. И чем длиннее и искуснее цепь выводов («доказательств»), тем менее надежен окончательный результат.

И вот тут – самый интересный для нас момент – Арнольд говорит о том, как схоластические извращения математики с её идеализированными моделями на основе никак не доказанных, но возведенных в абсолют аксиом, способны отравлять и уже ощутимо отравляют фундаментальную физику. Как главную науку об устройстве природы, во всем, однако, опирающуюся на математику:

Математическая технология моделирования состоит в том, чтобы от этой неприятности отвлечься и говорить о своей дедуктивной модели так, как если бы она совпадала с реальностью. Тот факт, что этот – явно неправильный с точки зрения естествознания – путь часто приводит к полезным результатам в физике, называют «непостижимой эффективностью математики в естественных науках».

«Тонкий яд математического образования» (по выражению Феликса Клейна) для физика состоит именно в том, что абсолютизируемая модель отрывается от реальности и перестает с нею сравниваться…

#

На этой очень важной для естествознания идее пора цитирование Арнольда закончить. И теперь в соответствующем ракурсе взглянуть на одну из двух главнейших теорий современной фундаментальной физики – под названием Стандартная Модель (СМ) физики частиц.

Вторая «самая главная из фундаментальных» носит название ОТО или Общая Теория Относительности Эйнштейна и отвечает за объяснение гравитации. По некоторым очень глубоким причинам – сводящимся к отрыву теории от реальности – Стандартная Модель частиц в принципе не совмещается с ОТО. Из-за чего фундамент современной физики выстроен на двух противоречащих друг другу основах. В науке все об этом знают, но давно привыкли и уже не считают чем-то чудовищно ненормальным…

Так что при взгляде с одной – парадной – стороны, СМ – это научная вершина всей квантовой физики XX века. Цитируя совсем свежую оценку от одного из создателей Модели, нобелевского лауреата Шелдона Глэшоу [SG]:

Стандартная Модель – это успешная теория. Она предлагает полное, верное, самосогласованное и элегантное описание всех известных элементарных частиц и их взаимодействий. Сформулированная почти пол-столетия назад, Стандартная Модель подтверждена множеством экспериментов. И если многие из экспериментов подтверждают её предсказания, то ни один им не противоречит.

При взгляде на ту же самую Модель со стороны другой, однако, можно заметить нечто куда менее приятное. Ибо, если знать реальную ситуацию в науке, то в любых заявлениях подобного рода, будто бы «многие из экспериментов подтверждают предсказания СМ, но ни один им не противоречит», отчетливо видно лишь одно. Именно то – по Арнольду – как «абсолютизируемая модель отрывается от реальности и перестает с ней сравниваться»…

На что способна «их» фундаментальная физика

Тридцать лет тому назад, в 1987 году весьма авторитетный физик-теоретик, нобелевский лауреат Филип Уоррен Андерсон сделал чрезвычайно сильное «научно-политическое» заявление [PA], волны от которого продолжают ощущаться в научных кругах по сию пору. Столь прочно вошло же в историю науки это выступление по той причине, что было сделано, как принято говорить, «в нужное время и в нужном месте».

Местом для выступления именитого ученого стало здание Конгресса США в Вашингтоне, а время было такое, когда в эпоху Рейгана с его идеями о «возрождении национальной гордости» американские власти задумали построить дорогущий, самый-самый мощный в мире ускоритель частиц – Сверхпроводящий Супер-Коллайдер или кратко ССК. Дабы этот гигантский супердупер-прибор прочно закрепил научное лидерство США в области физики высоких энергий и всей фундаментальной науки в целом.

Филип же Андерсон, со своей стороны, как очень компетентный ученый-теоретик, работающий в областях физики твердого тела, сверхпроводимости и полупроводников – то есть чрезвычайно далеко от мира коллайдеров-ускорителей и частиц высоких энергий – выступил с очень жесткой, развернутой и мощно аргументированной критикой этого проекта.

Нельзя сказать, что власти США прислушались к мнению большого ученого – уже при следующем президенте Джордже Буше-папе в родном для клана Бушей штате Техас проект ССК был энергично и масштабно запущен в строительство. Однако все выделенные на него миллиарды долларов оказались быстро освоены-истрачены, большой перерасход бюджета вызвал пересмотр проекта, а в самом начале правления Клинтона, уже осенью 1993 года от столь дорогостоящей затеи просто отказались – полностью и насовсем.

В итоге же все обернулось так, что коль скоро Филип Андерсон был самым знаменитым и авторитетным ученым среди тех, кто активно выступал против ССК, то в научных кругах стало расхожим мнение, будто «это из-за Андерсона зарубили супер-коллайдер»… Хотя на самом деле, конечно же, все происходило совершенно не так.

Как бы там ни было, выступление ученого в американском Конгрессе вошло в историю, имеет собственную самодостаточную ценность, и начиналось оно такими словами:

Я хотел бы изложить научные соображения против ССК, Сверхпроводящего Супер-Коллайдера, потому что, как мне думается, многие из моих коллег, понимающих эту ситуацию, сделать это не решаются. Я и сам вовсе не уверен в том, что это надо громко озвучивать, ибо я совсем не против собственно проекта. Но лишь до тех пор, пока он не претендует на ресурсы, которые я вижу более необходимыми на других направлениях.

Вся последующая аргументация ученого была доходчиво оформлена им в виде «четырех слоганов, каждый из которых нацелен на то, чтобы посеять сомнения относительно четырех мифов, которые поддерживают убеждения об уникальной ценности направления под названием Физика Элементарных Частиц». Здесь, ясное дело, не будет подробного разбора андерсоновой аргументации, касающейся мифов о необходимости максимального выделения ресурсов и научных кадров для физики частиц, о прикладной пользе якобы «ответвлений» физики частиц и о тех «золотых яйцах», которые эта золотая гусыня якобы способна нести для общества.

Однако про один из мифов – самый первый в списке – здесь необходимо рассказать поподробнее. Ибо этот миф внушает людям, будто подлинно фундаментальная наука не имеет отношения к проблемам нашей повседневной жизни. Филип Андерсон утверждает нечто в корне противоположное: Наука вполне может быть одновременно и фундаментальной, и полезной в реальной жизни.

Самый первый слайд во множестве обобщающих лекций, которые читают мои коллеги из области физики высоких энергий, – это длинная шкала масштабов, протянувшаяся от «планковской длины» (лежащей много-много ниже размеров элементарной частицы) и вплоть до размеров всего космоса в целом. Затем они делают небрежный жест в область середины этой шкалы (там, где находимся мы, наши атомы и всё прочее из нашей повседневной жизни) и заявляют примерно такое: «Тут, конечно, мы знаем уже все, а вот действительно ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ наука находится по краям, на экстремально больших и малых масштабах»…

Ну, прежде всего, мы еще далеко не всё знаем о физике «тут»…

Далее Андерсон вкратце перечисляет несколько конкретных и весьма актуальных для нашей жизни задач, о подходах к решению которых у физической науки нет ни малейшего представления (ни 30 лет тому назад, ни по состоянию на сегодняшний день, следует отметить). Конкретные примеры, однако, упомянуты лишь для того, чтобы тут же перейти к обобщающей сути:

Но самое главное – и это важно подчеркнуть – НИЧЕГО из того, на что способна физика высоких энергий [со всеми своими супер-дорогостоящими коллайдерами], не сможет оказать ни малейшей прямой помощи в решении чрезвычайно трудных проблем науки «тут».

Мы давно уже в курсе обо всем, что именно физика частиц может рассказать нам и про поведение обычной материи, и про поведение атомного ядра, и даже, быть может, про физику звезд. Если же мои коллеги из области высоких энергий говорят вам, будто теперь – как следствие экспериментов в супер-коллайдере – они поймут еще лучше даже Большой Взрыв, то это лишь от чрезмерного оптимизма, их переполняющего.

Но вот когда они заявляют о каких-то еще следствиях для других областей науки, то здесь они ошибаются в принципе. ИХ фундаментальная физика стала уже до такой степени «фундаментальной», что перестала иметь вообще хоть какое-то отношение ко всей остальной науке…

Столь сильное заявление от авторитетного светила – это, пожалуй, самое подходящее место для завершения цитирований Филипа Андерсона. Ибо суть его позиции уже вполне ясна, наверное. Ну а то, что с нею категорически не согласны почти все представители другой стороны – той многотысячной научной армии теоретиков и экспериментаторов, которые неустанно трудятся в области частиц высоких энергий, должно быть понятно и без всяких объяснений.

Для чего же дополнительные пояснения определенно здесь требуются, так это для следующего очень важного аспекта данной истории.

Фил Андерсон – даже не работая сам в области физики высоких энергий – имел абсолютно все основания и уровень компетентности для утверждений типа «мы все давно в курсе, что именно может нам поведать физика частиц об устройстве материи и атомного ядра». Ибо в некотором очень глубоком – фундаментальном – смысле именно Андерсон и является одним из главных отцов-основателей Стандартной Модели частиц.

Неоспоримые факты научной истории таковы, что знаменитый «механизм Хиггса», объясняющий появление массы у всех (изначально в теории безмассовых) квантовых частиц, среди знающих специалистов известен как «механизм Андерсона-Хиггса». Ибо это именно Фил Андерсон придумал в 1962 и опубликовал в 1963 физико-математическую модель, согласно которой вихревые квазичастицы-плазмоны в сверхпроводнике обретают наблюдаемое в опытах свойство инертности, по внешним признакам аналогичное появлению у них массы. В той же работе теоретик отметил, что описанный им механизм в принципе мог бы объяснить и появление массы у тяжелых бозонов в физике частиц высоких энергий.

Вскоре после этого Питер Хиггс, прочитав статью Андерсона и вдохновившись аналогией, сумел придумать именно то, что нужно.

К 1964 году Хиггс переформулировал «андерсонову» физику медленных квазичастиц-вихрей в сверхпроводнике на стандартный язык калибровочной теории для быстрых релятивистских частиц-точек в условиях вакуума.

На основе механизма Андерсона-Хиггса в 1970-е годы был создан важнейший компонент Стандартной Модели – теория электрослабых взаимодействий. То есть теория, объединившая электромагнитные и слабые ядерные силы в единую физико-математическую конструкцию, и принесшая в 1979 году Нобелевскую премию её создателям – Вайнбергу, Глэшоу и Саламу. Сам же Питер Хиггс получил свою Нобелевскую награду лишь в 2013, когда в Большом Адронном Коллайдере (ответ Европы на недостроенный ССК в США) был наконец-то экспериментально обнаружен «бозон Хиггса», предсказанный теоретически почти пол-столетия тому назад.

Согласно недобрым слухам в научных кругах, Фила Андерсона в число награжденных лауреатов-теоретиков не включили вполне умышленно – в отместку за его публичные выступления против строительства новых непомерно дорогостоящих коллайдеров-ускорителей…

В продолжение же темы о весьма необычной нынешней ситуации с фундаментальной наукой теперь самое время рассказать об идеях еще одного знаменитого ученого-твердотельщика. И главная область работы которого, и нетривиальный вклад в основы Стандартной Модели, и общие взгляды на пути развития физики примечательно совпадают с особенностями научной позиции Филипа Андерсона. А кроме того, еще и отчетливо перекликаются с идеями Владимира Арнольда.

О повреждении здравомыслия от яда математического образования

Ровно двадцать лет тому назад, в 1998, Нобелевской премии по физике были удостоены трое ученых, открывших для человечества удивительный феномен под названием дробный квантовый эффект Холла. Двое из этих физиков, экспериментаторы Хорст Штёрмер и Дэн Цуи, обнаружили эффект в опытах с электронами тока в сверхохлажденном материале, ну а третий лауреат – теоретик-твердотельщик Роберт Лафлин – красиво и убедительно объяснил наблюдаемые вещи на языке уравнений.

Именно про Лафлина – из-за его нетипичных взглядов на фундаментальную науку – и пойдет здесь разговор. Попутно же непременно следует пояснить, чем замечателен дробный квантовый эффект Холла и почему он занимает в физике весьма особенное положение. Заодно обеспечивая Лафлину выдающееся место среди светил Стандартной Модели – хотя и у этого теоретика подобно Андерсону область специализации совсем иная. Прежде называвшаяся физикой твердого тела, а в последние десятилетия – вместе с освоением состояний квантовой жидкости и конденсата Бозе-Эйнштейна – переименованная в физику конденсированного вещества.

Сам Роберт Лафлин (1950 г.р.), конечно же, вовсе не претендует на место среди «отцов СМ», созданной еще до его появления в мире физической науки. Однако в своей нобелевской лекции [RL] ученый счел нужным и важным особо подчеркнуть, почему открытый им с коллегами феномен отчетливо сигнализирует о том, что наша «фундаментальная физика» в её привычном понимании пока что весьма далека от верного описания природы:

Дробный квантовый эффект Холла является интересным по многим причинам, но важен он, на мой взгляд, только по одной. Экспериментально установлено, что и частицы, несущие дробную часть заряда электрона, и сильные калибровочные взаимодействия между этими частицами (а это два центральных постулата Стандартной Модели) могут неожиданно возникать как свойства нового состояния материи [именуемого электронной жидкостью].

Для других важных аспектов Стандартной Модели, таких как свободные фермионы, относительность, перенормируемость, спонтанное нарушение симметрии и механизм Хиггса, для всего этого уже и ранее имелись ясные аналогии в физике твердого тела. И даже более того, некоторые из этих вещей и предлагались для СМ, исходя из данных аналогий.

Но вот дробные квантовые заряды и калибровочные поля считались чем-то подлинно фундаментальным [присущим исключительно Стандартной Модели]. Теперь же очевидно, что это не так. […] Так что тот вызов привычному описанию вселенной, который представляет собой данное открытие в «малой» науке – это на самом деле очень глубокий и серьезный вызов…

Для ясности картины важно отметить такой нюанс в хронологии. Экспериментальное открытие дробного квантового эффекта Холла (ДКЭХ) и объяснение Лафлина для наблюдаемых в опытах дробных электрических зарядов – через механизм коллективного возникновения вихревых квазичастиц в квантовой жидкости – все это появилось в науке в первой половине 1980-х годов. То есть примерно через два десятка лет после создания теории квантовой хромодинамики (КХД) с её кварками, несущими дробный заряд и на этой основе объясняющими в Стандартной Модели природу сильных ядерных взаимодействий.

Если бы последовательность тех же научных открытий оказалась обратной – сначала ДКЭХ и уже затем КХД – то вряд ли, наверное, хоть кому-то пришло бы в голову называть в принципе не наблюдаемые по отдельности кварки «реальными частицами». Даже сам «отец кварков», нобелевский лауреат Марри Гелл-Манн поначалу совершенно не хотел считать эти вещи настоящими частицами, трактуя их просто как удобные математические абстракции.

Однако большие и несомненные успехи математики КХД в делах предсказания итогов опытов в ускорителях частиц сыграли с теоретиками злую шутку. Поначалу сугубо абстрактные кварки и глюоны далее стали все чаще и чаще восприниматься учеными как нечто вполне реальное. А в конечном итоге так и вообще были объявлены «подлинной реальностью» в основах всей материи – как «фундаментальные частицы», образующие протоны и нейтроны в ядрах всех атомов вселенной…

Роберт Лафлин, со своей стороны, в самом начале нобелевской лекции рассказал о другой довольно жестокой шутке, с помощью которой он сам учит своих блестящих аспирантов, когда на экзамене просит вывести их явление сверхтекучести из базовых принципов квантовой физики. Жестокость шутки в том, что задача эта невыполнима, ибо сверхтекучесть – как и дробный квантовый эффект Холла – из базовых квантовых принципов для отдельных частиц вывести невозможно. Это непредсказуемый или эмерджентный феномен, возникающий из коллективного поведения множества частиц. Расстроенные аспиранты нередко пытаются как-то обосновать неудачу:

Те, кто только начинает серьезное изучение физики, часто говорят, что сверхтекучесть и квантовый эффект Холла – это не фундаментальные явления, и поэтому невозможность их выведения из базовых принципов «большой науки» не стоит принимать слишком всерьез.
В таких случаях я просто открываю современный справочник по физике и показываю своим неверующим, что принятые в науке эталонные значения для фундаментальных констант e и h(величина заряда электрона и постоянной Планка) определяются именно через эти явления. На чем спор наш и заканчивается.

Хотя подобные споры Лафлина с его аспирантами удается завершать быстро и убедительно, действительно подрывные дискуссии о том, какое из направлений физической науки следует считать «подлинно фундаментальным», пока что по-настоящему даже не начинались. Ибо на устоявшийся миф о главенстве «большой науки» – физики частиц высоких энергий и её Стандартной Модели – пока что всерьез посягнуть не удавалось еще никому.

У многих ученых, впрочем, уже имеется ощущение, что так называемая «малая наука» – физика низких температур и конденсированного вещества – на самом деле является ничуть не менее «фундаментальной». О тех бесспорных и удивительно сильных параллелях, что обнаружены в столь разных областях физики, Роберт Лафлин с подробностями рассказывает в одной из своих научно-популярных книг:

Воистину легендарны аналогии между физикой пространственного вакуума и низкотемпературными фазами материи. Глубина аналогий здесь такова, что даже наиболее тонкие феномены [сверх-охлажденной материи] оказываются неотличимы от физики элементарных частиц [высоких энергий] в очень общем смысле.

Это один из наиболее поразительных фактов науки, и нечто такое, во что студентам обычно крайне трудно поверить. Но постепенно, коль скоро экспериментов и свидетельств тому предостаточно, причем все они согласуются друг с другом, приходится в данных вещах убедиться.

Попутно, чем больше люди изучают математические описания холодных фаз материи, тем больше они перестают удивляться и привыкают к параллелизму и взаимозаменяемости терминов для физики пространства и физики материи. Когда вместо частиц мы говорим о возбуждениях. Или когда вместо коллективных движений мы говорим о квазичастицах.

Причем и вот этот префикс «квази» не несет в себе уже никакого содержательного смысла, являясь просто рудиментом исторических битв о физическом смысле данных объектов. В частных беседах ученые обычно отбрасывают это притворство и говорят о таких объектах как о частицах…

Поводом для написания данной книги Лафлина, «Другая Вселенная: переизобретение физики» [DU], стали однотипные вопросы, регулярно задаваемые ему из зала во время публичных лекций о достижениях и перспективах науки. Суть всех подобных вопросов сводилась к одному: Что вы думаете о так называемой «смерти науки», как популярной ныне идее о том, будто всё мало-мальски существенное об устройстве природы и о физике «тут» наука уже открыла? Или иначе, важны ли по-прежнему для нашей жизни фундаментальные проблемы физики, и осталось ли в них нечто такое, что нам еще только предстоит открыть в будущем?..

Нобелевский лауреат, физик Роберт Лафлин на все подобные вопросы убежденно отвечает так:

«Вы просто оглянитесь вокруг. Даже один лишь этот зал, где мы собрались, в избытке наполняют такие вещи, принципы работы которых мы на самом деле не понимаем. И не видеть этого способны лишь такие люди, у которых здравый смысл повредился из-за слишком обширного образования.

Сама идея о том, будто бы наша борьба за понимание мира природы уже подошла к своему концу – она не просто неверна, а неверна запредельно. Мы постоянно окружены загадочными физическими чудесами, а длящаяся поныне, далеко не решенная задача науки – как следует со всеми этими делами разобраться. […] Существует еще много, намного больше таких вещей, которые нам только еще предстоит открыть»…

О том великом множестве чудес и загадок в «физике тут», что все еще ожидают от науки своего решения, и рассказывает книга Лафлина. Нас же интересует несколько иной вопрос.

Так где же искать подлинно фундаментальную физику?

Итак, на сегодняшний день для науки уже вполне ясно следующее. Две чрезвычайно разных области физики – физика частиц гигантских энергий в ускорителях и физика квазичастиц в веществе предельно низких энергий с температурой около абсолютного нуля – имеют в своей основе аналогичные, почти идентичные математические описания. Иначе говоря, в противоположных концах огромной шкалы энергий, где физика вроде бы должна быть совершенно разная, к удивлению исследователей обнаружена одна и та же математика (с основами в гидродинамике или физике жидкостей).

Более того, уравнения той же математики работают и для физики «тут». То есть в пограничной области, где соприкасаются краями две экстремальные физики – высоких энергий и сверхнизких температур. Но из этого самоочевидного наблюдения теперь следует крайне неожиданный вывод. «Подлинно фундаментальной» физикой есть все основания считать именно «физику тут». Постигнуть то, как через физику вихрей и волн нашего мира физика квазичастиц низких температур переходит в физику частиц высоких энергий – это понять и одно, и другое, и третье. Постигнуть всё, иначе говоря.

Из этого же вывода, переворачивающего всю фундаментальную физику с головы на ноги, становится вполне очевидно и то, почему Стандартная Модель частиц совершенно не годится на роль моста, соединяющего «физику тут» и физику высоких энергий. Ещё на заре квантовой механики, в 1920-30-е годы учеными-теоретиками был открыт целый комплекс важнейших для понимания природы вещей, которые в Стандартную Модель не попали вообще никак. А вот в физике низких температур и конденсированной материи, напротив, именно эти вещи в последние годы играют всё более и более заметную роль…

Про три особо важных открытия из этого ряда здесь необходимо рассказать с некоторыми подробностями. Дабы стала яснее не только общая картина проблем у фундаментальной физики, но и глубина самообмана в точных науках. Той математической иллюзии, в которую «большая наука» сама себя погрузила, когда ради элегантной стройности своей Стандартной Модели стала игнорировать «физику тут». Потому что только глубочайшим самообманом, заставляющим не замечать все «неудобные» экспериментальные результаты, можно объяснить появление подобных заявлений от научных светил:

Стандартная Модель подтверждена множеством экспериментов. И если многие из экспериментов подтверждают её предсказания, то ни один им не противоречит…

Самый краткий перечень тех результатов, которые фундаментально важны для целостности квантовой физики и надежно подтверждены во множестве экспериментов, но при этом вообще никак не согласуются со Стандартной Моделью, выглядит следующим образом.

#

(1) Эффект НЕ-взаимодействия частиц с антипараллельными спинами. Впервые открытый как «запрет Паули», когда совсем юная квантовая механика еще не имела даже такого понятия, как спин частицы, этот принцип просто в виде догмы-запрета наложил строгое ограничение на свойства квантовых объектов. И таким образом «объяснил», почему, скажем, на одной орбите атома может находиться не больше двух электронов.

Позднее стало ясно, что два таких электрона имеют антипараллельные – различающиеся на 180 градусов – ориентации своих спинов. При такой взаимной конфигурации никакого электромагнитного взаимодействия между электронами на одной орбите не происходит. Они занимают одно место в атоме, поскольку, фактически, «не видят» друг друга. Затем, вместе с проникновением физики в глубины атомного ядра, стало ясно, что этот же по сути феномен взаимной «невидимости» для частиц с антипараллельными спинами имеется также и в ядерных взаимодействиях.

И хотя эта фундаментально важная физика – до сих пор неясная теоретикам в своих глубинах – лежит в основах всего атомного строения химических элементов и устройства материи в целом, для Стандартной Модели феномен антипараллельных спинов по сути дела не существует. Ибо математика СМ этот феномен объяснить не способна. А потому и предсказать хоть что-то правильно здесь у нее не получается, увы.

Ну а то, что начиная с 1970-х годов на разных ускорителях по всему миру экспериментально установлены и многократно подтверждены «необъяснимые» факты отсутствия взаимодействий у сталкивающихся протонов с антипараллельными спинами, то эти результаты среди апологетов Стандартной Модели принято «не замечать». А потому их никогда и не упоминают – дабы не порочить в глазах общества свою теорию, выдаваемую за очень успешную… [AK]

#

(2) Релятивистское уравнение Дирака, открытое в конце 1920-х годов, занимает фундаментально важное место в основах квантовой механики, поскольку его математически цельная конструкция связывает воедино волновые свойства квантовых объектов, феномен спина частиц и эффекты специальной теории относительности. Помимо верного описания уже известных экспериментальных результатов, это уравнение позволило Дираку предсказать совершенно неожиданную для всех вещь – частицы антивещества, которые в последующие годы были действительно обнаружены в опытах.

Частицы антиматерии, выведенные из уравнения Дирака, занимают в математике Стандартной Модели столь же важное место, как и частицы материи обычной. Но вот собственно уравнение Дирака, как это ни парадоксально, с математикой СМ не согласуется никак.

Для единообразного описания трех главных (без гравитации) «сил природы» – электромагнетизма, слабых ядерных и сильных ядерных взаимодействий – в Стандартной Модели используется по сути один и тот же алгебраический подход, известный как унитарные группы преобразований с нарастающим числом параметров. Математически итоговая конструкция выглядит весьма эффектно, поскольку для описания электромагнетизма хорошо подошла группа U(1), для слабых ядерных сил – специальная унитарная группа SU(2), для сильных ядерных взаимодействий – SU(3).

Так что всю нетривиальную, но идейно единообразную математику СМ часто любят преподносить в виде элегантной формулы U(1) x SU(2) x SU(3).

Уравнение Дирака, однако, во всю эту элегантность не вписывается никак. По той причине, прежде всего, что именно унитарность преобразований – при нынешнем уровне понимания данной математики теоретиками – уравнение Дирака не обеспечивает. В переводе на обычный человеческий язык суть этой математики сводится к смыслу термина «унитарность» – то есть «единичность». Говоря упрощенно, после любого квантового взаимодействия вероятности всех возможных исходов этого события должны складываться в «единицу».

Требование вроде бы абсолютно законное и даже необходимое – ибо на этом принципе выстроена вся огромная область математики, именуемая теорией вероятностей. Для уравнения Дирака, однако, это требование в лоб неприменимо. Ибо и поныне весьма загадочная – четырех-компонентная – структура уравнения такова, что здесь наука не может быть уверена, будто хорошо знает все возможные исходы для всех четырех компонентов частицы. Отчего и вероятности их не обязательно в сумме дают единицу…

Творцы Стандартной Модели не стали обременять себя этими загадками и просто выбросили из своей теории уравнение Дирака – для их калибровочной математики как бы не требующееся. А вот в теории конденсированного вещества, напротив, уравнение Дирака в последние десятилетия становится востребовано все больше и больше. Ибо такие его решения, как «фермионы Майораны» и «фермионы Вейля», демонстрирующие весьма необычные и заманчивые для приложений физические свойства, стали обнаруживаться как квазичастицы в экспериментах с новыми фазами материи низких температур.

Нельзя сказать, что эти чрезвычайно важные для понимания природы эксперименты «опровергают» Стандартную Модель. Но для СМ и всей её математики этой фундаментальной «физики тут» по сути дела не существует в принципе – как и собственно уравнения Дирака.

#

(3) Феномен квантовой сцепленности частиц, теоретически открытый в 1935 Эйнштейном (как своего рода «опровержение» квантовой механики), однако многократно и надежно подтвержденный в экспериментах последних десятилетий, в комплексе теорий Стандартной Модели также проигнорирован тотально и полностью.

Хуже того, из-за устоявшегося мнения о «небывалой успешности» СМ и смещения всей фундаментальной теории частиц в область высоких энергий, где тонкие эффекты сцепленности никакой роли в ускорителях не играют, крайне странная природа этого феномена по сию пору изучена теоретиками очень плохо, не объясняется никак и остается величайшей загадкой квантовой физики. [JB]

Суть и перец этой гранд-загадки в том, что квантово-сцепленные частицы мгновенно взаимодействуют друг с другом в независимости от расстояния между ними. Частицы могут быть разделены дистанцией в десять метров, в тысячу или миллиард километров, или же вообще находиться в разных концах вселенной. Где бы они ни были, если частицы квантово сцеплены, то перемена состояния у одной из них мгновенно сказывается на состоянии частицы другой.

Особый юмор парадокса ЭПР, теоретически предсказанного Эйнштейном, Подольским и Розеном, заключается в том, что этим способом ученые пытались указать на необходимость пересмотра и коррекции квантовой теории, допускающей подобную нефизичную чепуху. Однако именно вот эта «чепуха» ныне является очень надежно установленным фактом квантовой физики, многократно подтвержденным в экспериментах.

Но хотя экспериментов подобных – в области квантовой оптики и физики конденсированного вещества – ныне проведено великое множество, решить гранд-загадку это не помогает пока никак.

Ни у теоретиков конденсированных состояний вещества, ни в физике частиц высоких энергий, тем более, нет ни малейшего представления о том, каким образом на фундаментальном уровне могут быть устроены природа и геометрия пространства вселенной, допускающие подобные чудеса…

Консенсус и катастрофа

Интересные и сильные соображения на данный счет выдвинуты недавно в рамках Теории Струн – о том, что феномен квантовой сцепленности частиц одновременно служит и основой для неразрывной целостности ткани пространства вселенной. Беда со столь красивой идеей, однако, всё та же самая. Про абсолютную оторванность математики этой теории от физики окружающей нас реальности здесь уже было сказано достаточно.

Кроме того, относительно способностей Теории Струн сообщить нам хоть что-то содержательное про устройство физики этого мира в высшей степени скептически – но в примечательно единодушном консенсусе – отзываются все цитировавшиеся выше светила из разных научных лагерей. И Шелдон Глэшоу, и Фил Андерсон, и Роберт Лафлин.

Филип Андерсон, в частности, своё негативное отношение к теории струн в одном из интервью обоcновал такими словами [NY]:

Моё отношение основано на том факте, что струнная теория – это первая за сотни лет наука, которую продвигают в стиле до-Бэконовой эпохи, то есть вообще без каких-либо адекватных экспериментальных результатов, направляющих исследования.

Другой нобелевский лауреат и один из отцов Стандартной Модели, Шелдон Ли Глэшоу, отозвался об этой же теории так [SG]:

Самая свежая на сегодня версия струнной теории не решает ни одного из насущных вопросов физики частиц, не делает вообще никаких предсказаний и не может быть никак проверена в экспериментах. Как сказал один из известных её оппонентов, «Если чья-то теория не может ничего предсказать, то она просто неверная, так что пора бы уже попробовать что-нибудь еще»…

Для полноты научной картины и для более адекватного представления о ситуации с фундаментальной физикой – растерянно выбирающей ныне «что бы еще попробовать» – здесь непременно следует упомянуть и такой немаловажный факт.

Сообщество ученых никогда не считало свою «крайне успешную» Стандартную Модель окончательным словом для физики частиц. Все знают, что в этом наборе теорий остается без ответа еще слишком много неясных мест и вопросов. Но при этом математика Стандартной Модели традиционно считается той концептуальной основой, на которой следует выстраивать фундаментальную теорию далее. Что и делалось, собственно, последние 40 лет – пока все ждали сооружения новых мощных коллайдеров для проверки своих предсказаний.

Когда же самый главный коллайдер планеты, LHC в ЦЕРНе под Женевой, наконец-то построили и запустили в работу, то выяснилась в высшей степени неприятная вещь. Вообще НИЧЕГО из того, что было предсказано учеными-теоретиками на протяжении всех десятилетий после создания Стандартной Модели для её развития далее, подтвердить экспериментально не удалось… [WH]

Понятно, что это катастрофа. Публично признать которую никто, однако, не решается. По тем же, в сущности, причинам, что и фиаско с Теорией Струн. Плюс к тому, не очень понятно, где теперь искать другую фундаментальную физику. Хотя и не исключено, что многим это уже ясно – вот только громко озвучить своё понимание как-то неловко и боязно… [AV]

_____________________

Posted on 27.07.2018

Обзорного характера статья для параллельного проекта kiwi arXiv, подготовленная на основе текущих новостей науки и материалов сайта kniganews. Вполне естественно разместить этот текст также и здесь.