Битва за сердце и душу физики

В течение трех дней, с 7 по 9 декабря 2015, Мюнхенский университет принимал в своих стенах весьма необычную междисциплинарную конференцию под названием Why Trust a Theory или «Почему мы доверяем теории? Пересматривая научную методологию в свете современной физики».

Необычность данного мероприятия заключается в том, прежде всего, что это фактически первая встреча больших ученых и философов науки, собравшихся для обсуждения одной весьма тяжкой и, как правило, глухо замалчиваемой проблемы. Суть которой организаторы даже не решились вынести в название форума, ограничившись куда более нейтральными и обтекаемыми формулировками.

Потому что если называть вещи своими именами, то центральная тема, которую с очень разных позиций обсуждали на этой конференции выступавшие, куда более доходчиво прозвучала бы в таких словах:

«Глубокий кризис фундаментальной теоретической физики – как науке из него выбираться»…

В сущности, для адекватного восприятия ситуации в науке куда более важны не столько термины-характеристики, в которые разные люди вкладывают разные смыслы, сколько суть происходящих процессов. А процессы, как известно, удобнее всего рассматривать в динамике – откуда и куда происходит движение.

Конкретно же в данном случае динамика истории выглядит так. Ровно год тому назад, в декабре 2014, два известных ученых-ветерана, космолог Джордж Эллис и астроном Джо Силк, опубликовали через журнал Nature своего рода манифест – под заголовком «Научный метод: защитим целостность физики» («Scientific method: Defend the integrity of physics» by George Ellis and Joe Silk. Nature, 16 December 2014).

Если совсем кратко, то суть этого воззвания сводилась к тому, что с фундаментальной теоретической физикой уже давно происходит большая беда: в ней стали доминировать такие чисто спекулятивные теории об устройстве вселенной, которые не только не подтверждаются никакими экспериментами, но и пытаются вообще освободить себя от подобных проверок. Ну а авторы манифеста, соответственно, призывают коллег притормозить, одуматься и понять, что такие действия подрывают науку в самих ее основах.

Если же чуть-чуть поподробнее, то Эллис и Силк напоминают, что проблемы с невозможностью верифицировать теории через эксперименты и наблюдения всерьез одолевают науку уже не первое десятилетие. Теория струн для микромира, теория инфляции для космологии, концепция мультиверса для того и другого – эти главные направления разработки физиков по сути своей уже не являются научными теориями. Потому что их математический аппарат сделан настолько гибким, чтобы его можно было подстраивать под абсолютно любые наблюдаемые результаты.

(Поясняя суть этих замечательных успехов чуть более образно, можно сказать, что фундаментальная физика добралась ныне до высот средневековой религиозной схоластики. В ту пору мудрейшие ученые церкви уже умели «научно объяснять» все что угодно. Делая это примерно по такой схеме: слабительное помогает при запорах, потому что обладает «слабительной силой»; снотворное помогает при бессоннице благодаря своей «усыпляющей силе»; магнит притягивает металл, потому что обладает «магнетической силой»… ну и так далее. Теперь и передовая физика умеет аналогично «объяснять» что угодно – благодаря математическим уравнениям с кучей свободных параметров, подгоняемых под результаты экспериментов.)

Очень многие влиятельные физики, однако, категорически настаивают, что и в таком виде их умопостроения остаются твердой научной теорией. Более того, уже наблюдаются и вполне конкретные усилия по пересмотру и коррекции философии науки – дабы на принципиально важных методологических уровнях ослабить общепринятые требования к проверяемости теорий экспериментами и наблюдениями.

Среди наиболее заметных инициатив подобного рода Эллис и Силк особо отметили свежую книгу физика-теоретика и философа науки Рихарда Давида «Струнная теория и научный метод» (где разработана целая система для «не-эмпирического подтверждения правильности теорий»), а также активные публичные выступления, статьи и книги космолога Шона Кэррола (подробности о его взглядах и аргументах можно найти в материале «Sci-Myst#6»).

С одной стороны, авторы манифеста в каком-то смысле даже приветствуют то, что стали громко слышны голоса таких людей, как Давид, Кэррол и им подобных активистов-реформаторов. Ведь это именно благодаря их радикальной позиции глубокая проблема, прежде скрытно разъедавшая науку, ныне вынесена на открытое обсуждение. Но при этом всех призывают понять, что наука в результате подобных реформ может превратиться в нечто принципиально иное, а потому перемены, затеянные в основах научного знания, требуют действительно очень серьезных дебатов.

Можно даже сказать и сильнее – наступает битва за суть фундаментальной науки.

Джордж Эллис и Джо Силк охарактеризовали сложившуюся ситуацию такими словами:

«Эта битва за сердце и душу физики разворачивается в такое время, когда научные результаты – в самых разных областях от смены климата до теории эволюции – подвергаются сомнениям некоторыми политиками и религиозными фундаменталистами. Потенциальный ущерб для доверия общества к науке и к природе фундаментальной физики требует тщательного осмысления – через более глубокий диалог между учеными и философами»…

Ну вот, а теперь, год спустя, именно такое совместное обсуждение и осмысление удалось организовать в Мюнхенском университете – благодаря согласованным усилиям Эллиса и Силка с одной стороны, и Рихарда Давида со стороны их оппонентов. (Шон Кэррол в этом мероприятии не участвовал никак: может, потому что как раз в это время заканчивал свой собственный «манифест» – толстую и амбициозную книгу «Большая Картина: о происхождении Жизни, Смысла и самой Вселенной»; а может и по той причине, что лично для него и без всяких дебатов-обсуждений все уже тут ясно.)

На конференцию или семинар, как предпочитали поскромнее называть это организаторы, собралось порядка сотни участников, весьма известных в областях физики, философии и истории науки.

Безусловным хедлайнером, чей доклад открыл мероприятие в первый день, стал Дэвид Гросс – один из патриархов современной теоретической науки, внесший заметный вклад не только в создание Стандартной Модели и теории струн, но и в подготовку достойной научной смены. Среди тех ученых, кто в молодости делал свои диссертации под руководством Гросса, можно упомянуть столь знаменитые ныне имена, как Эдвард Виттен и Фрэнк Вильчек (в 2004 году получивший, кстати, вместе с Гроссом и Нобелевскую премию за их совместную работу именно того периода в начале 1970-х).

Впрочем, пересказывать здесь – даже кратко – состав докладчиков семинара и содержание их выступлений вряд ли есть хоть какой-нибудь смысл. Во-первых, это уже сделали вполне содержательно сами участники в разных средствах массовой информации (см., к примеру, публикации в Quanta Magazine, Forbes и Nature, а также в персональных блогах ученых и философов).

Ну а во-вторых, трудно было ожидать, что при первой же встрече сильно несогласных сторон будет сразу найден устраивающий всех консенсус. Этого, конечно, не произошло, однако в целом участники, вроде бы, остались итогом довольны, а потому намерены установившийся «многосторонний диалог» продолжать – с расширением привлекаемых точек зрения и в самых разных форматах для дискуссий.

Ускользающая красота

Дабы все, кому это интересно, могли живо и образно прочувствовать, насколько актуальные и близкие к жизни проблемы обсуждались на мюнхенском семинаре, достаточно привести пример всего лишь одной темы – взятой из пары конкретных выступлений.

Эта тема – «о красоте теории» (что неразрывно связанной с «душой и сердцем») – дает особо наглядную картину того, сколь непросто прокладываются маршруты для подлинного прогресса в науке. Когда поля исследований необозримы, однако надо уметь очень тонко и аккуратно сочетать рациональные доводы логики с интуитивными ощущениями в оценках того, где должны быть новые открытия, а где, скорее всего, нас поджидает очередной тупик.

В финальный день конференции, то есть 9 декабря (опять подчеркнем дату), со своими размышлениями о выборе эффективных критериев для оценки теорий выступала Сабина Хоссенфельдер, немецкий физик-теоретик из Швеции, весьма удачно совмещающая свои научные исследования с плодотворной научно-популярной публицистикой для широких масс.

Благодаря столь благоприятному сочетанию факторов – незашоренная и профессионально компетентная личность с желанием объяснять простым людям нетривиальные вещи – эта дама уже неоднократно упоминалась по разным поводам и на страницах сайта kniganews (подробнее см. здесь и тут). Что же касается доклада Хоссенфельдер в Мюнхене, то там, среди прочего, шла речь и о таком критерии, как красота или эстетическая привлекательность теории.

Понятно, наверное, что «степень красоты» никак не поддается объективному измерению. И в то же время общеизвестно, что среди ученых уже очень давно утвердился один довольно интересный принцип, ниоткуда в общем-то не следующий, однако очень часто срабатывающий: та теория, которая выглядит наиболее красивой среди всех, почти наверняка оказывается и самой правильной. Никто не знает, почему это так, но при поисках и выборе верных подходов все стараются, как могут, руководствоваться именно эстетическими суждениями.

Хотя сама Хоссенфельдер не занимается теорией струн, она сочла необходимым напомнить, что зачастую именно «математическая красота» привлекает множество талантливых ученых к разработке струнного направления. И несмотря на многие десятилетия стерильного, экспериментально полностью бесплодного существования, эта теория по-прежнему имеет армию несомненно одаренных сторонников. Которые «просто чувствуют», что такая мощная красота и взаимосогласованность структуры никак не может быть лишь чисто математической абстракцией, полностью оторванной от реальности.

С другой стороны, отмечает Хоссенфельдер, если рассуждать чисто рационально, то у науки не было и нет никаких неопровержимых доводов за то, что красота должна быть решающим критерием в оценках правильности той или иной теории. Более того, в истории науки есть сколько угодно примеров, когда красивые – по всеобщему первичному консенсусу – теории в итоге признавались научным сообществом как неверные. Именно об этом, в частности, много чего содержательного рассказал другой докладчик конференции, Х. Крагх.

Известный датский исследователь Хельге Крагх знаменит как автор целого множества монументальных трудов по истории космологии, истории квантовой физики и прочих разделов физической науки. А не так давно, в 2011 году, им была опубликована работа «Высшие спекуляции» («Higher Speculations» by Helge Kragh), целиком посвященная именно тем теоретическим моделям, которые в свою эпоху были весьма популярны среди современников, главным образом, благодаря своей эстетической красоте, однако впоследствии по тем или иным причинам от всех из них было решено отказаться.

Хотя подобного рода «красивых и отвергнутых» теорий, конечно же, в истории науки было куда больше, в мюнхенском выступлении Крагха особого упоминания заслужили три следующих: вихревая теория атома, вселенная в стационарном состоянии, теория великого объединения сил на основе группы симметрий SU(5).

Набор этот – для нашего расследования – выглядит в высшей степени примечательным по двум причинам. Во-первых, с точки зрения современной научной мысли все эти теории принято считать неверными. Во-вторых, однако, если присмотреться к ним повнимательнее, то можно заметить кое-что очень интересное…

Если совсем-совсем вкратце (подробности будут позднее), то «теория стационарной вселенной» давно отвергнута, ясное дело, по причине давно установленного и несомненного факта расширения космоса. Но с другой стороны, в конструкции AdS/CFT (главном открытии новейшей науки) загадочная 5-мерная вселенная анти-де-Cиттера является определенно стационарной. И абсолютно никто из теоретиков не может объяснить, что этот факт должен означать для нашего мира.

Другой пример – несостоявшееся объединение всех сил природы на основе SU(5). Естественно, у теоретиков были все основания отвергнуть эту очень красивую и заманчивую 5-мерную математическую конструкцию – в первую очередь, по причине очевидного расхождения ее предсказаний с экспериментами. Однако полезно напомнить, что и самая первая «теория великого объединения» от Оскара Клейна, выдвинутая в конце 1930-х годов, также была 5-мерной и концептуально похожей – но тогда ее отвергли, практически не обсуждая. Когда же в начале 1970-х появилась SU(5), то никто вообще не вспомнил и не сопоставил ее с моделью Клейна. А это обычно сигнал о заблокированой информации. Или признак того, что и здесь упущено нечто очень важное (дополнительные детали см. в тексте «жэг#6: Свобода от моды», разделы 9-10).

Ну и наконец, пример третий – про вихревую теорию атомов, популярную в конце XIX века, о чем надо рассказать с чуть большим количеством подробностей.

Есть веские основания считать, что именно эта теория, разработанная друзьями-шотландцами Питером Тэтом и лордом Кельвином, была самой первой – и уже вполне научной – «викторианской теорией всего». На строгой математической основе здесь не только были объединены важнейшие новые открытия европейской-континентальной и британской-островной научных школ (зачастую остро конкурировавших друг с другом), но и подведена простая-красивая элементарная база под все явления, наблюдаемые в природе.

Сильно впечатлившись на редкость стабильным поведением и природой взаимодействий вихрей в жидкости, красиво описанных уравнениями Гельмгольца, шотландцы постулировали, что атомы материи – это мельчайшего размера вихри в эфире. Причем и эфир – как упругая и всепроникающая среда пространства – по своей структуре и сам является «вихревой губкой» из еще более мелких микровихрей.

В рамках такой концептуальной модели известные человеку химические элементы – атомы водорода, кислорода и так далее – на более глубоком уровне природы оказывались просто различными типами вихревых узлов. Соответственно, разные режимы вибраций этих узлов объясняли не только различия в спектральных свойствах, но и в прочих физических характеристиках атомов.

На основе этой концепции было получено немало впечатляющих физико-математических результатов – включая выведение максвелловых уравнений электромагнетизма на базе новых, куда более внятных идей. Так что в целом теория вихревых атомов выглядела для современников в высшей степени многообещающей. Ученое сообщество было без преувеличений поражено глубиной и богатством открывшихся математических структур, суливших – как говорили в те времена – занять математиков на столетия…

Увы (как подытожен доклад Хельге Крагха в одной из обзорных статей о мюнхенском семинаре), с приходом новой физики XX века стало ясно, что «атомы это не вихри, эфир не существует, а теоретическая красота – это не всегда истина».

Гигантская ирония подобных умозаключений, на первый взгляд вроде бы самоочевидных, оказывается в том, что к началу XXI века именно они и завели теоретическую науку в то состояние глубокого кризиса, из которого теперь непонятно как выбираться…