Леонард Млодинов - Стивен Хокинг. О дружбе и физике

Парад перманентно улучшающихся теорий, по идее, должен завершиться созданием так называемой «теории всего». Однако вердикт о том, что такая теория действительно существует – и если да, то что она собою представляет, – еще не вынесен. Эйнштейн посвятил созданию этой теории все последние годы своей жизни. Он называл ее единой теорией поля. Вам может прийти в голову, что если кто-то, как фокусник, вытащит эту теорию из своей шляпы, то это будет второй Эйнштейн. Но Эйнштейн в последние годы своей жизни преуспел лишь в том, что отдалился от стратегического направления физической науки. «Нынешнее поколение видит во мне, – писал он, – еретика и реакционера, который, если можно так выразиться, пережил сам себя».

Но Эйнштейн мог себе такое позволить. Он чувствовал, что достиг пика славы и заслужил право в конце жизни немного побороться с ветряными мельницами. Поэтому он обращал мало внимания на мнение ученой среды и продолжал свои донкихотские изыскания. Он, как и Стивен, был упрям. Надо ли говорить, что после смерти Эйнштейна (1955) поиски «теории всего» стали модным увлечением среди физиков.

Большинство дискуссий о «теории всего» не принимали во внимание тот факт, что в распоряжении физиков уже со второй половины XIX века имелось непротиворечивое описание всех физических явлений. Речь идет о теории электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла. Эта теория и теория всемирного тяготения Ньютона вместе объясняли все известные (на тот момент) силы, существующие в природе. Когда в этот коктейль добавили еще законы движения Ньютона – которые описывают движение тел под действием этих сил, – полученная смесь, казалось, стала достаточной для описания всех процессов во Вселенной. По крайней мере, в принципе: для успешного применения теории все-таки надо было решать уравнения, описывающие интересующий нас процесс.

В этом-то все и дело. Без решения уравнений теория остается голым каркасом из принципов и методов. Для каждой физической системы (будь то электроны вокруг ядра атома, Солнечная система и т. д.) теория дает уравнения, решение которых описывает, как свойства этой системы меняются со временем (как излучает атом, планеты вращаются по орбитам и т. п.). Но обычно эти уравнения решить невозможно, поэтому большинство результатов в теоретической физике зависят от того, какое используется приближение. Именно это делает физику не только наукой, но и искусством.

Физики в конце XIX столетия были настолько уверены в глубине своих познаний, что лорд Кельвин, один из знаменитейших физиков своего времени, произнес в апреле 1900 года речь о будущем физики как науки. В ней он заявил, что все, что осталось сделать физикам – согнать пару облаков с уже почти безоблачного голубого неба. Одним из этих облаков стал эксперимент со скоростью света, проведенный американскими физиками Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли. Другое облако – явление под названием «чернотельное излучение». Кельвин полагал, что эти незначительные аномалии ученые-физики вскоре смогут разъяснить в рамках существующих концепций. Впоследствии выяснилось, что эти препятствия – не два маленьких облачка в голубом небе, а скорее два массивных айсберга, вставшие на пути корабля в океане.

Чтобы объяснить эксперимент Майкельсона – Морли, нужно было придумать специальную теорию относительности, что и сделал Эйнштейн в 1905 году. Чтобы объяснить излучение черного тела, нужно было создать квантовую теорию. Над ее созданием трудилась целая плеяда блестящих физиков на протяжении десятков лет, с 1900 по 1925 год. Вместе эти две теории потопили корабль с ньютоновскими законами движения, которые лежали в основе физики в дни Кельвина, да и вообще на протяжении нескольких предыдущих столетий. Больше никогда эти ньютоновские законы не будут восприниматься как фундаментальная истина.

Кельвин, говоря о двух аномалиях, забыл еще об одном «облачке», которое затеняло чистый небосклон ньютоновской физики. В середине XIX века было обнаружено, что Меркурий слегка отклоняется от пути, предписанного ему законом всемирного тяготения Ньютона. Отклонение было маленьким, но оно реально существовало и высвечивало слабое место закона. Как оказалось, открытие этого крошечного отклонения предзнаменовало собой третью революцию в физике – появление общей теории относительности Эйнштейна в 1915 году.

С пришествием специальной и общей теории относительности, а также квантовой механики, законы движения и всемирного тяготения Ньютона потеряли свою актуальность. В меньшей степени в этот период потрясений пострадала теория электромагнетизма Максвелла. Законы Максвелла потребовали ревизии с учетом специальной теории относительности и квантовой механики, но не потеряли своего значения и по сей день. Из всего этого следует такой вывод: когда физическая теория слаба, об этом часто свидетельствуют аномалии, кажущиеся небольшими – отклонения, преодолеть которые, как нам кажется, можно с помощью безобидной интерпретации [2] Две необъяснимые аномалии в современной физике – темная материя и темная энергия. Удастся ли их со временем объяснить в рамках современных теорий, придется ли улучшать эти теории или потребуется совершенно новый подход? Никто не знает. .