авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

ГЛАВА 15

ИСТИНА, КРАСОТА И ДРУГИЕ

НАУЧНЫЕ ЗАБЛУЖДЕНИЯ

В феврале 2007 г. физик-теоретик и нобелевский лауреат Мюррей

Гелл-Манн выступил на конференции TED («Технологии, развле-

чения, дизайн») в Калифорнии, где раз в год собираются лидеры

наук

и, техники, литературы, индустрии развлечений и других

инновационных сфер, чтобы поделиться новыми достижениями и взглядами по самым разным вопросам. Выступление Мюррея было встречено продолжительной овацией;

посвящено оно было истине и красоте в науке. Основную мысль выступления лучше всего можно передать его собственными словами, повторивши ми мысль Джона Китса: «Истина — это красота, а красота — это истина».

У Гелл-Манна были серьезные причины верить в это заявле ние. Сам он совершил наиболее значительные из своих открытий, принесшие ему в конце концов Нобелевскую премию, в процессе поиска фундаментального принципа, позволяющего элегантно «обуздать» хаос данных, накопленных учеными в 1960-е гг. Опыт Мюррея говорил о том, что поиск красоты привел его к истине.

Никто в аудитории не оспорил это громкое заявление. В конце концов, большинству людей нравится думать, что красота и ис тина неразделимы и что поиск одного чаще всего приводит к дру гому. Но мне, признаюсь, это утверждение всегда представлялось несколько неоднозначным. Конечно, всем хотелось бы верить, что в основе великих научных теорий лежит красота и что истина dostuchatsya-do-nebes.indd 323 30.09.2013 17:23: 324 МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ всегда эстетически прекрасна. Но ведь красота, по крайней мере отчасти, — понятие субъективное и не может быть надежным ар битром истины.

Если бы истина и красота были эквивалентны, выражение «неприглядная истина» в языке никогда бы не возникло. Пусть эти слова не связны напрямую с наукой;

очевидно тем не менее, что то, что мы наблюдаем вокруг себя, не всегда красиво. Коллега Дарвина Томас Гексли прекрасно сформулировал это ощущение:

«Наука — это исключительно здравый смысл, где множество кра сивых теорий пало под напором безобразных фактов».

Дополнительно осложняет ситуацию то, что физикам прихо дится признать: далеко не все наблюдаемые элементы Вселенной красивы. Мы видим вокруг путаницу явлений и целый зоопарк ча стиц, в которых хотелось бы разобраться. В идеале физики с огром ным удовольствием нашли бы какую-нибудь простую теорию, которая объяснила бы все наблюдения при помощи небольшого числа правил и еще меньшего — фундаментальных ингредиентов.

Но, даже посвятив себя поискам простой и элегантной объединяю щей теории, при помощи которой можно было бы прогнозировать результат любого эксперимента в физике элементарных частиц, ученый понимает: если ему и удастся найти такую теорию, потре буется еще многое сделать, чтобы согласовать ее с окружающим миром.

Вселенная сложна. Как правило, непросто подогнать простую лаконичную формулировку под далеко не простой окружающий мир. Случается, что дополнительные элементы разрушают всю красоту первоначально предложенной формулы, — точно так же, как поправки к законам часто ставят с ног на голову прекрасные намерения авторов законопроектов.

Но как же, зная об ожидающих всюду потенциальных ловуш ках, ученые все же умудряются расширять пределы человече ских знаний? Как нам удается интерпретировать неизвестные до сего момента явления? Эта глава посвящена идее красоты и роли эстетических критериев в науке, а также преимуществам и недостаткам красоты как критерия истины. Кроме того, в ней говорится о модели познания мира и уделяется внимание эстети dostuchatsya-do-nebes.indd 324 30.09.2013 17:23: ИСТИНА, КРАСОТА И ДРУГИЕ НАУЧНЫЕ ЗАБЛУЖДЕНИЯ ческим критериям при попытках предсказать наше дальнейшее развитие.

КРАСОТА Недавно один художник в разговоре со мной с юмором заметил, что современные ученые едва ли не чаще, чем современные ху дожники, объявляют своей целью красоту. Конечно, художники не отказались от эстетических критериев, но тем не менее ча сто говорят об открытиях и изобретениях при обсуждении своих работ.

Но, несмотря на значение, которое многие ученые придают эле гантности, они нередко по-разному оценивают ее. Точно так же, как вы с соседом можете не сойтись во мнениях относительно ка кого-нибудь современного художника, такого как Дэмьен Херст, разные ученые по-разному воспринимают одни и те же аспекты своей науки.

Я, как и мои единомышленники, предпочитаю искать фун даментальные принципы, которые раскрывали бы связи между совершенно независимыми на первый взгляд наблюдаемыми явлениями. Большинство моих коллег занимается тем, что раз бирает при помощи конкретных разрешимых теорий и связанно го с ними сложного математического аппарата так называемые модельные задачи (то есть задачи, не связанные с реальными физическими условиями). Возможно, позже эти задачи (и ре шения) найдут себе применение в связи с какими-то наблюда емыми физическими событиями, а может быть, и нет. Другие физики предпочитают сосредоточиться на одних только теориях с четким и элегантным аппаратом;

такие теории дают множество экспериментальных прогнозов, которые можно систематизиро вать и просчитывать.

Интересные принципы, высшая математика и сложные чис ленные модели — все это составные части физической науки.

Большинство ученых ценит их все, но каждый из нас выбирает собственные приоритеты исходя из того, что ему больше всего нравится делать — или какой путь с наибольшей вероятностью dostuchatsya-do-nebes.indd 325 30.09.2013 17:23: 326 МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ приведет к научным результатам. В самом деле, часто мы выби раем свой подход в соответствии с тем, какой метод лучше всего соответствует нашим уникальным склонностям и талантам.



Представления о красоте меняются со временем, и не только в искусстве. Собственная специализация Мюррея Гелл-Манна — квантовая хромодинамика — хороший тому пример.

Выводы Гелл-Манна о законах сильного взаимодействия были сделаны на основании блестящей догадки о том, как организовать множество частиц, которые в 1960-е гг. открывали одну за дру гой, в разумную структуру, которая объяснила бы их многочислен ность и разнообразие. Он предположил существование еще бо лее фундаментальных элементарных частиц, известных сегодня как кварки, обладающих новым видом заряда — цветовым. В этом случае ядерному взаимодействию должны быть подвержены все объекты, обладающие этим зарядом;

оно же должно удерживать кварки с образованием нейтральных объектов — точно так же, как электрическая сила связывает электроны с заряженными ядра ми в нейтральные атомы. Если это так, то все открываемые ча стицы можно рассматривать как связанные состояния этих квар ков — как составные объекты с нулевым суммарным цветовым зарядом.

Гелл-Манн понял, что если существует три типа кварков, каж дый со своим цветовым зарядом, то из них сможет образоваться множество нейтральных («белых») связанных состояний. И это множество состояний должно соответствовать (и действитель но соответствует) массе частиц, которые ученые находили тог да едва ли не каждую неделю. Таким образом, Гелл-Манн нашел красивое объяснение тому, что прежде казалось необъяснимым хаосом всевозможных частиц.

Однако, когда Мюррей и независимо от него физик (а позже нейробиолог) Джордж Цвейг опубликовали свою идею, многие даже не восприняли ее как настоящую научную теорию. Физика элементарных частиц исходит из того, что частицы на большом расстоянии не взаимодействуют — как следствие, мы можем рас считать конечные эффекты взаимодействий, которые возникают при сближении. В таком контексте любое взаимодействие можно dostuchatsya-do-nebes.indd 326 30.09.2013 17:23: ИСТИНА, КРАСОТА И ДРУГИЕ НАУЧНЫЕ ЗАБЛУЖДЕНИЯ полностью представить как влияние локальных сил, которые про являются лишь тогда, когда взаимодействующие частицы сбли жаются.

В то же время сила, о которой писал Гелл-Манн, становилась тем сильнее, чем дальше частицы находились друг от друга. Это оз начало, что кварки взаимодействуют всегда, даже если расстояние между ними очень велико. По общепринятым тогда критериям догадка Гелл-Манна не подходила даже на роль теории, которую можно использовать для достоверных вычислений. Поскольку кварки взаимодействуют всегда, любое их состояние — даже так называемое асимптотическое, когда кварк находится на значи тельном удалении от любого объекта — описывается очень слож но. И асимптотические состояния, постулированные в новой тео рии, были вовсе не тем же самым, что простые частицы, которые хотелось бы видеть в результате теоретического расчета. Разве это не отказ от красоты в пользу уродства?

Первоначально никто не знал, как организовать вычисления всех этих сложных состояний, связанных сильным взаимодействи ем. Однако современные физики относятся к сильному взаимо действию совершенно иначе. Мы теперь понимаем его намного лучше, чем в те времена, когда была впервые высказана эта идея.

За разработку концепции «асимптотической свободы в теории сильных взаимодействий» Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Фрэнк Вильчек были удостоены Нобелевской премии. Согласно их рас четам, сила взаимодействия велика лишь при низких энергиях.





При высоких энергиях ядерное взаимодействие лишь ненамного сильнее других типов взаимодействия, и расчеты дают ровно то, что ожидалось. Более того, некоторые физики сегодня считают те ории, подобные теории сильного взаимодействия, единственными по-настоящему проработанными, — ведь сильное взаимодействие с ростом энергии быстро ослабевает, а не возрастает до бесконеч ности, как могло бы в противном случае.

Теория ядерного взаимодействия Гелл-Манна — интересный пример взаимосвязанности эстетических и научных критериев.

Первоначально он стремился в основном к простоте. Но потре бовалось немало научных расчетов и теоретических выкладок, dostuchatsya-do-nebes.indd 327 30.09.2013 17:23: 328 МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ прежде чем остальные ученые согласились с тем, что предложен ная им теория красива.

Разумеется, этот пример не единственный. Во многих наших самых надежных теориях есть аспекты настолько на первый взгляд безобразные и неубедительные, что даже уважаемые и признан ные ученые поначалу отвергали их. На квантовой теории поля, сочетающей в себе квантовую механику и специальную теорию относительности, основана вся физика элементарных частиц.

Тем не менее итальянский физик и нобелевский лауреат Энрико Ферми (и не он один) поначалу отверг ее. Для Ферми проблема заключалась в том, что, хотя квантовая теория поля формализует и систематизирует все вычисления и позволяет делать верные про гнозы, при этом она пользуется такими вычислительными метода ми, которые даже многие сегодняшние физики считают слишком сложными. Некоторые аспекты этой теории действительно краси вы. С другими ученым просто приходится мириться.

Эта история повторялась в науке не один и не два раза. Кра сивой теорию часто объявляют задним числом. Так, ядерное вза имодействие нарушает так называемую четность, то есть про странственную симметрию. Это означает, что частицы с левой киральностью взаимодействуют не так, как те, у которых кираль ность правая. Нарушение такой фундаментальной симметрии, как пространственная, представляется изначально тревожным.

Тем не менее именно этой асимметрии мы обязаны существова нием той линейки масс, которую видим вокруг себя, — а массы, в свою очередь, необходимы для жизни. Сначала асимметрия казалась отвратительной, но сегодня мы знаем, что она необхо дима. «Безобразное» само по себе нарушение пространственной симметрии ведет к «красивым» объяснениям более сложных яв лений, без которых вещество в окружающем нас мире было бы невозможно.

Красота не абсолютна. Теория, симпатичная ее создателю, кому-то другому может показаться громоздкой или путаной. Ино гда я остро ощущаю красоту только что придуманной гипотезы — в основном потому, что знаю все прочие идеи, которые выдвигали другие ученые до меня и которые не оправдали надежд. Но даже dostuchatsya-do-nebes.indd 328 30.09.2013 17:23: ИСТИНА, КРАСОТА И ДРУГИЕ НАУЧНЫЕ ЗАБЛУЖДЕНИЯ то, что лучше предыдущих попыток, не обязательно красиво. Мне не раз случалось создавать модели, которые соответствовали это му критерию, но встречали скептицизм и непонимание со сторо ны коллег, менее знакомых с темой. Теперь мне кажется, что, воз можно, лучший критерий хорошей идеи — то, что она способна понравиться даже человеку, который никогда специально не за нимался этой проблемой.

Иногда, правда, верно и обратное: хорошие идеи отвергаются только потому, что кажутся авторам некрасивыми. Макс Планк не поверил в фотоны, хотя именно он начал логическую цепочку, которая завершилась в конце концов их изобретением. Эйнштейн считал, что расширяющаяся Вселенная, непосредственно вытекав шая из уравнений общей теории относительности, невозможна, отчасти потому, что она противоречила его эстетическим и фило софским представлениям. Ни одна из этих концепций, вероятно, в свое время не казалась особенно красивой. Но законам физики и Вселенной, в которой они действуют, нет до этого дела.

КАК ПОНРАВИТЬСЯ ВСЕМ Учитывая непостоянную природу красоты, имеет смысл поду мать о том, могут ли существовать в природе черты, способные сделать идею или образ объективно красивыми и привлекатель ными для всех без исключения. Возможно, основной вопрос здесь заключается в том, существуют ли вообще у человечества единые универсальные критерии красоты в любом контексте, будь то ис кусство или наука.

Никто пока не знает ответа на этот вопрос. В конце концов, красота неразрывно связана с художественным вкусом, а вкус — понятие субъективное. Тем не менее трудно поверить, что люди не имеют хоть каких-то общих эстетических критериев. Я часто замечала поразительное единодушие людей в оценке произведе ний искусства на выставке — или даже в том, на какие выставки люди стремятся попасть. Разумеется, это ничего не доказывает, поскольку все они живут в одно время. Вообще, представления о красоте трудно выделить из конкретного культурного контекста dostuchatsya-do-nebes.indd 329 30.09.2013 17:23: 330 МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ или временного периода, в котором они сформировались;

труд но отделить личную точку зрения от усвоенных представлений или суждений. В редких случаях люди могут сойтись в едином мне нии о том, что что-то выглядит красиво или, напротив, безобраз но. Но даже в этих немногочисленных случаях мнения не всегда сходятся относительно деталей.

Но, несмотря ни на что, некоторые эстетические критерии все же представляются универсальными. В любой школе по ис кусству обучение начинают с представлений о золотом сечении.

Пример практического воплощения этого принципа — «Давид»

Микеланджело в Академической галерее Флоренции. «Давид»

очень грациозен и устойчив. Он никогда не упадет и не развалит ся на куски. Люди ищут равновесие и гармонию везде. Искусство, религия и наука — не исключение, они обещают человеку дости жение всех этих качеств. Однако искусство производит сильное впечатление даже тогда, когда отвергает привычные представ ления о гармонии;

пример тому — ранние скульптуры Ричарда Серра (рис. 47).

РИС. 47. Ранние скульптуры Ричарда Серра наглядно демонстриру ют, что иногда искусство, нарушая равновесие, только выигрыва ет. (Опубликовано с разрешения: Ричард Серра / ArtistRightsSociety, Нью-Йорк.) dostuchatsya-do-nebes.indd 330 30.09.2013 17:23: ИСТИНА, КРАСОТА И ДРУГИЕ НАУЧНЫЕ ЗАБЛУЖДЕНИЯ Симметрия также часто рассматривается как необходимая со ставляющая прекрасного, о чем свидетельствуют многочисленные памятники искусства и архитектуры. Система обладает симметри ей, если ее можно изменить — повернуть, поменять части места ми — так, что трансформированная система будет неотличима от первоначальной. Вероятно, гармоничностью симметричной системы объясняется тот факт, что она присутствует практически во всех религиозных символах. На рис. 48 вы видите христианский крест, иудейскую звезду, исламский полумесяц и буддистское ко лесо дхармы.

Крест Звезда Давида Полумесяц Колесо дхармы Христианство Иудаизм Ислам Буддизм РИС. 48. Религиозные символы часто обладают симметрией Особенно широко использует симметрию исламское искусство, где запрещены всякие антропоморфные образы;

ему приходится полагаться в основном на геометрические формы. Великолепный пример — мавзолей Тадж-Махал в Индии. Мне не доводилось встречать людей, которые побывали бы в Тадж-Махале и остались равнодушны к его формам и симметрии. Дворец Альгамбра в юж ной Испании — яркое выражение мавританского искусства — так же несет в себе интересные схемы симметрии;

возможно, это одно из красивейших зданий, сохранившихся до наших дней.

Современное искусство, к примеру работы Эллсуорта Келли или Бриджет Райли, иногда демонстрирует симметрию геометри ческих форм. В архитектуре Шартрского собора и росписи потол ка Сикстинской капеллы тоже искусно использована симметрия (рис. 49).

Однако произведение искусства, как правило, производит наи более сильное впечатление тогда, когда его симметрия не пол dostuchatsya-do-nebes.indd 331 30.09.2013 17:23: 332 МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РИС. 49. Архитектура Шартрского собора и свод Сикстинской капел лы воплощают в себе принцип симметрии на. Японское искусство известно не только изяществом форм, но и очень тонким и взвешенным нарушением симметрии. В япон ских картинах и расписанных шелковых экранах всегда присутству ет четкая ориентация, ведущая глаз зрителя по вполне определен ному маршруту (вы можете убедиться в этом, взглянув на рис. 50).

РИС. 50. Японское искусство интересно отчасти своей асимметрич ностью Простота — еще один критерий, иногда также связанный с симметрией и способный помочь в оценке красоты. Иногда простота основывается на симметрии, но внутренняя упорядо dostuchatsya-do-nebes.indd 332 30.09.2013 17:23: ИСТИНА, КРАСОТА И ДРУГИЕ НАУЧНЫЕ ЗАБЛУЖДЕНИЯ ченность может присутствовать и там, где нет очевидной симме трии. Картины Джейсона Поллока при кажущейся хаотичности обладают внутренней простотой, основанной на плотности кра сок. Цветовые пятна на них кажутся случайно расположенными, но на самых знаменитых его картинах все цвета присутствуют в строгой гармонии.

Простота в произведении искусства может быть обманчивой.

Я однажды попыталась скопировать несколько фрагментов Ма тисса — детали простейших его работ, написанных в те времена, когда художник был уже стар и слаб. Тем не менее, попытавшись воспроизвести их, я поняла, что эти работы не так уж просты — по крайней мере для моей неумелой руки. Простые элементы мо гут воплощать в себе более четкую структуру, чем представляется на первый, поверхностный, взгляд.

Во всяком случае, красота заключена не только в простых ба зовых формах. Некоторые признанные шедевры искусства, такие как работы Тициана или Рафаэля, представляют собой сложные полотна с множеством внутренних элементов. В конце концов, идеальная простота может оказаться отупляющей. Нам нужно что-то простое — но не настолько, чтобы быть скучным. Мир, судя по всему, устроен примерно так же.

КРАСОТА В НАУКЕ Сформулировать эстетические критерии очень трудно. В науке, как и в искусстве, есть объединяющие темы, но нет абсолюта.

Тем не менее эстетические критерии в науке полезны. Они по могают выявлять направление исследований, хотя и не дают га рантии успеха.

Эстетические критерии, применяемые в науке, похожи на те, что мы обрисовали для искусства. Симметрия, безусловно, играет в них важную роль. Интересно, что, как и в искусстве, симметрия в науке обычно относительна. Лучшие научные описания, как пра вило, отдают дань изяществу симметричных теорий, но предусма тривают и нарушения симметрии, необходимые для корректного прогнозирования событий в окружающем нас мире. Нарушение dostuchatsya-do-nebes.indd 333 30.09.2013 17:23: 334 МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ симметрии обогащает концепции, к которым относится, и прида ет им дополнительные объяснительные возможности. И, как часто бывает в искусстве, теории, связанные с нарушением симметрии, могут быть куда красивее, чем те, что полностью сбалансированы.

Прекрасный пример тому — механизм Хиггса, отвечающий за массы элементарных частиц. Он красноречиво объясняет, как может быть нарушена симметрия, связанная со слабым вза имодействием. Мы еще не обнаружили бозон Хиггса — частицу, которая неопровержимо доказала бы верность этой концепции*.

Но эта теория так красива, что большинство физиков уверены в том, что она верно описывает природу.

Простота — еще один важный субъективный критерий, кото рый используют физики-теоретики. В глубине души все мы верим, что в основе сложных наблюдаемых явлений лежат простые пра вила и элементы. Поиск простых базовых элементов, из которых состоит все вокруг, начался отнюдь не вчера. Еще в Древней Гре ции Платон представлял себе идеальные объекты — геометриче ские формы — и идеальных существ, к которым земные объек ты и существа могут лишь приблизиться. Религии тоже нередко постулируют существование более совершенных и цельных суб станций, не встроенных в реальность, но каким-то образом с ней связанных. Даже история изгнания наших предков из Райского сада предполагает, что когда-то мир был идеальным. Вопросы, к которым обращается современная физика, и ее методы очень отличаются от тех, что были у наших предков;

тем не менее мно гие физики и сегодня заняты поисками простого объяснения Все ленной — не в философском или религиозном смысле, а в плане фундаментальных элементов, составляющих основу нашего мира.

Поиск базовой научной истины часто подразумевает поиск простых элементов, из которых можно объяснить сложные явле ния, наблюдаемые в мире. Такие исследования нередко включают в себя поиск моделей и организационных принципов. Большин ство ученых считают перспективными только изящные и лаконич ные гипотезы. Кроме того, точка с минимумом исходных данных По состоянию на момент написания книги. — Прим. пер.

* dostuchatsya-do-nebes.indd 334 30.09.2013 17:23: ИСТИНА, КРАСОТА И ДРУГИЕ НАУЧНЫЕ ЗАБЛУЖДЕНИЯ имеет дополнительные преимущества: она обещает максимум предсказательной силы. Рассматривая новые гипотезы об осно ваниях Стандартной модели, мы, как правило, скептически от носимся к моделям слишком громоздким.

Опять же, как в искусстве, физические теории могут быть про сты сами по себе, а могут представлять собой сложные компози ции, составленные из простых и предсказуемых элементов. Конеч ный результат, разумеется, не всегда получается простым, даже если просты исходные компоненты, а иногда и правила, которым они подчиняются.

Крайнее проявление подобных стремлений — поиск единой теории, которая состояла бы всего из нескольких простых элемен тов и подчинялась небольшому набору правил. Это амбициозная, чтобы не сказать дерзкая, задача. Ясно, что на пути к достижению этой цели нас ждут очевидные препятствия, не позволяющие нам легко отыскать элегантную теорию, которая объяснила бы все без исключения наблюдаемые факты: в мире вокруг мы видим лишь малую часть того, что должна воплощать в себе такая теория.

Единая теория, или теория всего, будучи простой и элегантной, должна обладать достаточной глубиной, чтобы охватывать все.

Конечно, каждому хотелось бы верить в существование един ственной простой и красивой теории, составляющей фундамент всей физики. Однако Вселенная не так чиста, проста и упорядо чена, как наши теории. Даже если единая трактовка возможна, потребуется огромное количество исследований, чтобы связать ее со сложными явлениями, которые мы наблюдаем в окружающем мире.

Иногда в суждениях о красоте мы заходим слишком далеко.

Наши студенты любят пошутить в адрес профессоров, которые то и дело называют понятные ученым явления «тривиальными», вне зависимости от того, насколько те на самом деле сложны.

Конечно, профессор хорошо знает ответ, и базовые элементы, и логику рассуждений, но студенты-то в аудитории ничего этого не знают. Много позже, когда они научатся раскладывать задачу на простые составляющие, она и для них, возможно, станет три виальной. Но сначала им придется попотеть.

dostuchatsya-do-nebes.indd 335 30.09.2013 17:23: 336 МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ В науке, как и в жизни, не может быть единого критерия красоты.

Есть только несколько интуитивных соображений и эксперимен тально установленных ограничений, которыми мы можем руко водствоваться в поиске истины.

Но не будем заблуждаться, в конечном итоге лишь экспери мент определит, какая из научных гипотез верна, если среди них вообще есть верная. Возможно, в науке эстетические критерии и играют какую-то роль, но подлинный научный прогресс нуж дается в глубоком понимании, прогнозировании и тщательном анализе данных. Любая гипотеза, как бы красиво она ни выгля дела, может оказаться неверной — и тогда ее следует отбросить.

Но, прежде чем добраться до высоких энергий или гипотетиче ских параметров, необходимых для получения верных физических описаний, физики вынуждены догадываться о том, что скрывается за Стандартной моделью, при помощи эстетических и теоретиче ских соображений. Пока, обладая лишь ограниченными данными, мы определяем направление дальнейших исследований исходя из собственного вкуса и возможностей.

В идеале нам хотелось бы подробно рассмотреть последствия самых разных допущений. Делается это в науке при помощи мо делирования. Мы с коллегами исследуем различные модели фи зики элементарных частиц — гипотезы о том, какие физические теории могли бы лежать в основе Стандартной модели. Наша цель — отыскать простые принципы организации сложных яв лений, свидетелями которых мы являемся на более легкодоступ ных масштабах, и таким образом прояснить «белые пятна» наших представлений о мире.

При создании физических моделей ученые пытаются сбалан сировать выводы, полученные с помощью общепринятой эффек тивной теории, и гипотетические представления о все более мел ких масштабах. При этом мы используем подход «снизу вверх»:

берем то, что нам известно, — и явления, которые уже получили объяснение, и те, что продолжают оставаться для нас загадкой, — и пытаемся дописать картину — вывести такую фундаментальную dostuchatsya-do-nebes.indd 336 30.09.2013 17:23: ИСТИНА, КРАСОТА И ДРУГИЕ НАУЧНЫЕ ЗАБЛУЖДЕНИЯ модель, которая объяснила бы связи между наблюдаемыми свой ствами элементарных частиц и их взаимодействиями.

Понятие «модель» может подразумевать и некую физическую структуру — вспомните крохотные копии зданий, которые исполь зуются для демонстрации и проработки архитектурных решений.

Речь может идти также о численном моделировании, при кото ром выясняются возможные последствия заданных (известных или предполагаемых) физических принципов, — вспомните мо делирование изменений климата или модели распространения заразных заболеваний.

Моделирование в физике элементарных частиц сильно от личается от обоих названных подходов. Однако можно сказать, что модели элементарных частиц чем-то напоминают моделей со страниц журналов и подиумов. Как на подиуме, так и в физике модели предназначены для демонстрации новых, иногда весьма причудливых, идей. Так же, как в мире моды, зрителей поначалу привлекают самые красивые — или по крайней мере самые яр кие — модели, но в конце концов побеждают самые работоспо собные и универсальные.

Этим сходство мира моды и науки исчерпывается.

Физические модели представляют собой предположения о том, что может лежать в основе теорий, которые уже проверены.

При принятии решения о том, какие из идей наиболее перспек тивны и стоят дальнейшей проработки, трудно обойтись без эсте тических критериев. Однако не менее важную роль при этом играют непротиворечивость и проверяемость этих идей. Моде ли описывают «глубинные» физические принципы, применимые на расстояниях и размерах, которые нам пока не удается экспе риментально проверить. При помощи моделей мы можем прояс нить для себя сущность и последствия различных теоретических предположений.

Модель — это средство экстраполяции;

исходя из известного, мы строим предположения о более универсальных теориях, объ ясняющих максимально возможное число явлений в мире. Это лишь предположения, которые могут оправдаться или не оправ даться, когда эксперименты позволят нам наконец заглянуть в мир dostuchatsya-do-nebes.indd 337 30.09.2013 17:23: 338 МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ меньших размеров или более высоких энергий и на практике про верить заложенные в них гипотезы и предсказания.

Имейте в виду, что «теория» — это не то же самое, что «мо дель». Под словом теория я не подразумеваю свободных и ничем не ограниченных рассуждений, как часто бывает при обычном, бытовом использовании этого слова. Неотъемлемой частью лю бой теории являются известные физические законы, которым они подчиняются, то есть вполне определенный набор принципов со своими правилами и уравнениями, определяющими взаимо действие элементов.

Но даже если мы полностью понимаем некую теорию и ее следствия, то реализовать ее можно множеством разных способов и каждый из них предскажет свои физические следствия в реаль ном мире. Моделирование — это способ попробовать различные варианты.

Если представить теорию в программе PowerPoint, то модель — это ваша презентация. Теория допускает различные возможности, но вы используете только те из них, которые нужны для демонстра ции вашей точки зрения. Теория покажет, где должен находиться заголовок, а где перечислены по пунктам свойства, но именно мо дель покажет все, что вы считаете нужным донести до аудитории.

Подход к построению моделей в физике меняется в соответ ствии с тем, ответы на какие вопросы ищут в настоящее время ученые. Физики всегда пытаются предсказать максимальное число физических величин на базе минимального количества началь ных предположений, но это не означает, что самые фундаменталь ные теории рождаются на пустом месте.

В XIX в. физики неплохо представляли себе температуру и дав ление и умели применять эти понятия задолго до того, как было получено хоть какое-то их объяснение на более фундаментальном микроскопическом уровне — как результат случайного движения большого числа атомов и молекул. В начале XX в. физики пытались строить модели, которые объяснили бы массу в терминах электро магнитной энергии. Эти модели, хотя и основывались на пред ставлении о работе подобных систем, которое тогда разделяли многие ученые, тем не менее оказались неверны. Немного позже dostuchatsya-do-nebes.indd 338 30.09.2013 17:23: ИСТИНА, КРАСОТА И ДРУГИЕ НАУЧНЫЕ ЗАБЛУЖДЕНИЯ Нильс Бор построил модель атома, чтобы объяснить наблюдаемый спектр его излучения. Вскоре его модель уступила место более все объемлющей теории квантовой механики, которая впитала в себя основную идею Бора, но разработала ее на более высоком уровне.

Сегодня авторы моделей пытаются определить, что лежит в ос нове Стандартной модели физики элементарных частиц. Эту мо дель называют Стандартной, потому что она хорошо проработана и многократно проверена экспериментально, но в момент своего появления это была всего лишь догадка о том, как можно объеди нить все имеющиеся наблюдения в единую систему. Позже на базе Стандартной модели были сделаны проверяемые предсказания, и в конечном итоге эксперименты показали, что она верна.

В настоящее время Стандартная модель объясняет все имею щиеся наблюдения, но физики уверены, что она неполна. В част ности, она оставляет открытым вопрос о том, что в точности представляют собой частицы и взаимодействия — элементы так называемого сектора Хиггса, ответственные за массы элементар ных частиц — и почему частицы в этом секторе обладают имен но такими массами, какими обладают. Теории, выводящие нас за пределы Стандартной модели, демонстрируют более глубокие потенциальные взаимосвязи и взаимодействия, которые могли бы дать ответы на эти вопросы. Строятся они на основе выбора кон кретных фундаментальных исходных посылок и физических кон цепций, а также диапазонов размеров и энергий, на которых они применимы.

Значительная часть моих текущих исследований заключает ся в размышлениях о новых моделях, а также о новых или более проработанных стратегиях поиска, направленных на то, чтобы никакие новые явления не остались незамеченными. Я думаю не только о созданных на основе моих идей моделях, но и о множе стве других возможностей. Специалисты по физике элементарных частиц прекрасно знают, какого типа элементы и правила могут работать в моделях — это частицы, силы и допустимые взаимодей ствия. Но мы не знаем в точности, без каких именно ингредиентов картина реальности получится неполной. Используя известные теоретические составляющие, мы пытаемся распознать те потен dostuchatsya-do-nebes.indd 339 30.09.2013 17:23: 340 МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ циально простые базовые идеи, на которых вырастает сложная теория.

Не менее важно и то, что модели помогают нам выявить цели для дальнейших экспериментальных исследований и предска зать, как поведут себя частицы на расстояниях, меньших, чем те, что ученым до сих пор удавалось изучить эмпирически. Результаты измерений помогают нам сделать выбор. Мы пока не знаем, какой будет новая фундаментальная теория, но уже можем судить о ее вероятных отклонениях от Стандартной модели. Рассматривая конкурирующие модели и их следствия, мы можем предсказать, что продемонстрирует нам БАК, если та или иная модель окажется верной.

Исследование моделей и их следствий помогает понять, что именно следует искать ученым. Любая модель с новыми физи ческими законами, справедливыми в измеримом масштабе энер гий, должна предсказывать существование новых частиц и новых отношений между ними. Наблюдение за тем, какие частицы рож даются при столкновениях и какими они обладают свойствами, должно помочь в решении вопроса о том, какие вообще суще ствуют частицы, какие у них массы и как они взаимодействуют.

Обнаружение новых частиц или измерение характеристик раз личных взаимодействий должно подтвердить или отвергнуть предложенные ранее модели и проложить путь к созданию новых, более удачных.

Если данных будет достаточно, эксперименты определят, какая из фундаментальных моделей верна — по крайней мере на том уровне точности, расстояний и энергии, который мы в состоянии исследовать. Мы надеемся, что на самом крохотном диапазоне расстояний, который мы сможем исследовать при энергиях БАКа, правила для фундаментальной теории окажутся достаточно про стыми, чтобы позволить нам вывести соответствующие физиче ские законы.

Среди физиков идут оживленные дискуссии о том, какие имен но модели следует изучать и как учитывать их в эксперименталь ных исследованиях. Я, к примеру, нередко сажусь за стол с колле гами-экспериментаторами, чтобы вместе разобраться, как лучше dostuchatsya-do-nebes.indd 340 30.09.2013 17:23: ИСТИНА, КРАСОТА И ДРУГИЕ НАУЧНЫЕ ЗАБЛУЖДЕНИЯ всего использовать модели для определения направления даль нейших исследований. Не являются ли слишком специфическими контрольные точки с теми или иными параметрами в конкретных моделях? Нет ли лучшего способа рассмотреть все возможности?

Эксперименты на БАКе настолько сложны, что поиск без кон кретной цели ни к чему не приведет: интересные данные будут задавлены массой фоновых событий, связанных со Стандартной моделью. Экспериментальные установки разрабатывались и опти мизировались в расчете на существующие модели, но более уни версальный поиск в них тоже ведется. Экспериментаторы обяза тельно должны представлять себе огромное количество моделей, объясняющих те или иные новые данные, которые могут появить ся, — это необходимо, чтобы избежать предвзятости.

И теоретики, и экспериментаторы стараются сделать так, что бы мы не пропустили ничего интересного. Мы не можем знать, которое из множества предположений верно (если такое есть), до тех пор, пока оно не найдет экспериментального подтвержде ния. Предложенные модели могут верно описывать реальность, но, даже если они окажутся ошибочными, они все же предлагают нам стратегии поиска и сообщают характеристики еще не откры тых элементов. Мы надеемся, что БАК даст нам ответы — каки ми бы они ни были, — и мы должны быть готовы к этому.

dostuchatsya-do-nebes.indd 341 30.09.2013 17:23:

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.