Сабина Хоссенфельдер - Уродливая Вселенная [Как поиски красоты заводят физиков в тупик]

«Но когда вы пытаетесь найти новую теорию, разве такое отношение плодотворно?» – спрашиваю я.

«В том-то все и дело, – говорит Чед. – Возможно, нам следует размышлять над этими философскими вопросами и вещами, не поддающимися расчету. Но может, математика попросту неприглядна и кто-то должен сквозь нее продираться?»

• Квантовая механика работает изумительно, однако многие физики жалуются, что она не понятна интуитивно и уродлива.

• Интуицию кует опыт, а квантовая механика – довольно молодая теория. Будущим поколениям она, возможно, покажется более интуитивно понятной.

• И в основаниях квантовой механики тоже неясно, какая же насущная проблема требует решения.

• Может, понять квантовую механику просто сложнее, чем мы думали.

В которой я пытаюсь выяснить: было бы кому-нибудь дело до законов природы, будь они некрасивы? Я заскакиваю в Аризону, где Фрэнк Вильчек посвящает меня в свою скромную «теорию чего-то», а затем лечу на Мауи и слушаю Гарретта Лиси. Мне открываются некоторые неприглядные факты, и я подсчитываю физиков.

В последний раз теория всего была у человечества 2500 лет назад. Греческий философ Эмпедокл предположил, что мир соткан из четырех элементов: земли, воды, воздуха и огня. Аристотель позже добавил пятый, божественный элемент – эфир. Никогда больше объяснение всего не было таким простым.

В философии Аристотеля каждый элемент характеризуется двумя свойствами: огонь сухой и теплый, вода влажная и холодная, земля сухая и холодная, а воздух влажный и теплый. Изменения происходят, поскольку (1) элементы стремятся к своим «естественным местам» – воздух поднимается вверх, камни падают вниз и так далее – и (2) могут менять на противоположное по одному своему свойству зараз, если тому нет препятствий: так, например, сухой и теплый огонь может превратиться в сухую и холодную землю, а влажная и холодная вода – во влажный и теплый воздух.

Утверждение, что камни падают вниз, ибо такова их естественная склонность, не очень-то много объясняет, но то была, несомненно, простая теория, которую можно было проиллюстрировать удовлетворительно симметричной диаграммой (рис. 11).

Рис. 11.Схематическое изображение четырех элементов Аристотеля и их связей – теории, датирующейся IV веком до нашей эры. Схожие классификации сохранились в письменных источниках восточных цивилизаций примерно того же времени.

Впрочем, даже в IV веке до нашей эры стало очевидно, что теория слишком уж проста. Алхимики начали выделять все новые и новые вещества, и теория со всего лишь четырьмя элементами не могла объяснить такого разнообразия. Однако только в XVIII веке химики поняли, что все вещества – комбинации относительно небольшого числа «элементов» (в то время думали, что их меньше сотни), которые дальше уже разложить нельзя. Наступила эра редукционизма.

А тем временем Ньютон понял, что падение камней и движение планет роднит общая причина: тяготение. Джоуль показал, что теплота – это вид энергии, как обнаружилось позднее – происходящий из движения крохотных частиц под названием «атомы». Для каждого химического элемента характерен свой тип атома. Максвелл объединил электричество и магнетизм в электромагнетизм. И всякий раз, когда прежде разрозненные эффекты получали объяснение в рамках общей теории, новые открытия и применения не заставляли себя долго ждать: приливы вызываются Луной, энергию можно использовать для охлаждения, колебательные контуры служат источниками электромагнитного излучения.

В конце XIX века физики заметили, что атомы способны испускать и поглощать только свет с определенными длинами волн, но объяснения наблюдавшимся регулярностям ученые дать не могли. Чтобы с этим разобраться, они разработали квантовую механику, которая объяснила не только атомные спектры, но и большинство свойств химических элементов. К 1930-м годам физики выяснили, что все атомы имеют ядро, состоящее из меньших частиц – нейтронов и протонов – и окруженное электронами. На стезе редукционизма это стало еще одной вехой.

Следующим шагом в истории объединения Эйнштейн примирил пространство и время и получил специальную теорию относительности, после чего свел воедино гравитацию и специальную теорию относительности, создав общую теорию относительности. В итоге возникла необходимость избавиться от противоречий между квантовой механикой и специальной теорией относительности, что привело к благополучному рождению квантовой электродинамики.