Почему физика прекрасна?

На модерации Отложенный

("Project Syndicate", США)
Франк Вилчек (Frank Wilczek)

© ChiaWeiHsu, BoZhen

17/10/2015
Физик XIX века Генрих Герц однажды описал свое ощущение, что уравнения Джеймса Клерк Максвелла, которые описывают основы электричества и магнетизма, «живут независимой жизнью и обладают своим собственным интеллектом, что они мудрее... даже, чем их первооткрыватели, и что мы извлекаем из них больше, чем было заложено в них первоначально». Спустя какое-то время, Альберт Эйнштейн назвал модель атома Нильса Бора «высшей формой музыкальности в сфере мысли». Совсем недавно, последний лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман, описывая свое открытие новых законов физики, заявил, «Вы можете распознать истину по ее красоте и простоте». Подобные чувства являются всем, кроме универсального среди современных физиков.

Принимая желаемое за действительное, невозможно произвести работающие айфоны, фотографии Плутона, или атомные бомбы. Физика, как изложено в ряде математически точных законов, бесспорно, работает. Тем не менее, многие вещи, которые «работают» не вызывают такого рода восхищения, как те, что вызывают фундаментальные законы природы.

Их красота, прежде всего, коренится в симметрии законов, что означает возможность изменения без изменения — точное, но в тоже время, практически мистическое понятие. Так же, как круг может вращаться вокруг своего центра под любым углом, меняя положение каждой из своих точек, не меняя своей формы, симметричные законы применяются к изменившимся ситуациям без изменения или потери действительности. Например, специальная теория относительности утверждает, что фундаментальные законы физики остаются неизменными, когда мы смотрим на мир с платформы, движущейся с постоянной скоростью. Точно так же, так называемая симметрия перевода времени скрывает единообразие физического закона во времени: Даже по мере того, как вселенная стареет, законы остаются прежними.

Вторым источником красоты в законах физики является их продуктивность — то, что я называю их изобилием. Всего несколько базовых принципов порождают удивительное изобилие выводов — все в физическом мире! Вы можете написать уравнения основных теорий физики — известных как стандартная модель — совершенно спокойно на футболке. Перефразируя Герца, они отдают гораздо больше, чем мы вкладываем.

Важно отметить, что физические законы не обязательно должны обладать такими удивительными свойствами. Примите во внимание эту гипотетическую ситуацию: Разработки в области компьютерной мощности, виртуальной реальности и искусственного интеллекта позволяют создание самосознательных существ чей «мир», с нашей точки зрения, запрограммированная симуляция. Если самосознательный Супер Марио начал бы анализировать законы своего мира, он нашел бы очень мало симметрии или продуктивности. Вместо этого, он найдет обширную коллекцию мало связанных между собой необычных правил, отражающих прихоти программиста.



Красота физического закона слишком впечатляющая, чтобы быть случайной. Это позволяло людям на протяжении всей истории, верить, что нас создало, какое-то высшее существо, обладающее хорошим вкусом, и что мы населяем сознательно созданный мир, как наш условный Супер Марио. Но это экстравагантная гипотеза, что выходит далеко за рамки фактов, которые она призвана объяснить. Прежде чем ее принять, мы должны изучить больше экономических альтернатив.

Ответ, вероятнее всего, находится внутри нас. Красивые вещи, это те в которых мы ищем и находим удовольствие. С точки зрения нейробиологии, они являются тем, что стимулирует нашу систему поощрений. Это объясняет, почему родители, как правило, считают своих маленьких детей красивыми, а взрослых привлекают красивые модели и их изображения. Это имеет эволюционный смысл воздать должное подобным чувствам.

Эволюционная польза красоты физических законов несколько менее очевидна, но не менее реальна. Учитывая пользу точной оценки последствий наших действий, наша система поощрений развивалась таким образом, что мы получаем удовольствие от принятия успешных прогнозов. Понимание сил и закономерностей, определяющих наш мир, и особенно принципов, которые применяются (без изменения) в самых разнообразных ситуациях, может помочь усовершенствовать наши прогнозы. Тот факт, что мы часто можем определить поведение сложных объектов или систем, зная их составляющие, — что мы возвращаем больше, чем вложили — может нам помочь усовершенствовать свои дальнейшие прогнозы.

Иными словами, так как эволюция склоняет нас к поиску тех красивых вещей, которые помогают нам правильно понять мир, это не случайность, что мы находим правильные законы природы красивыми. С этой точки зрения, видимая красота законов физики — наше влечение к их симметрии и изобилию — не удивительна.

То, что остается загадкой, это почему они постижимы. Глубокая связь между красотой и постижимостью, становится все более важным источником научно-технического прогресса. Сегодняшние границы фундаментальной физики далеки от повседневного опыта. Их сложно и дорого получить экспериментальным путем, и мы не можем полагаться на нашу интуицию, чтобы заполнить пробелы. Таким образом, кропотливое накопление фактов, рекомендованное Фрэнсисом Бэконом, Исааком Ньютоном и Шерлоком Холмсом, больше не целесообразно.

Вместо этого, мы развернули процесс, используя догадки, чтобы мотивировать эксперимент. Мы сначала строим красивые уравнения, затем выводим их значение, и, наконец, проводим эксперименты, чтобы их проверить. В последние десятилетия, такая стратегия оказалась весьма успешной. Это дало нам квантовую хромодинамику, которая решает центральную проблему ядерной физики, а также прогнозирование бозона Хиггса и многое другое.

Вместо того, чтобы признать красоту законов, открытую иначе, мы используем принципы красоты — огромную симметрию и высокое соотношение между вложением и отдачей — чтобы сделать открытие возможным. Когда это работает, у нас есть «антропное» объяснение красоты законов: Если бы они не были красивы, мы бы их не нашли.

Франк Вилчек — профессор физики в Массачусетском технологическом институте. Получил Нобелевскую премию по физике в 2004 году
Оригинал публикации: Why Is Physics Beautiful?
Опубликовано: 17/10/2015 11:00