Зато я поняла следующее: идея Карла Поппера о том, что научные теории должны быть фальсифицируемы, уже давно стала устаревшим критерием. И я рада, так как это принцип, который никто в науке никогда не мог применить, кроме как в качестве риторического приема. Редко возможно по-настоящему опровергнуть идею, ведь та всегда может быть видоизменена или распространена на поступающие новые данные, чтобы им соответствовать. Следовательно, вместо того чтобы фальсифицировать теории, мы делаем их неправдоподобными: непрерывно перестраивающаяся теория становится все сложнее и мудренее – если не сказать некрасивее, – и в конце концов ее сторонники теряют к ней интерес. Сколько требуется времени, чтобы сделать идею неправдоподобной, зависит от толерантности к многократной подгонке теории под противоречивые данные.
Я спрашиваю Горди: «Думаете ли вы, что элегантность теории – это что-то такое, чему теоретики уделяют внимание и о чем им следует заботиться?»
«Да, они уделяют этому внимание. Я уделял, – отвечает он. – Потому что так приятнее работать, это распаляет». Он ненадолго замолкает. «Не уверен насчет “следует”. Условно говоря, мне следует делать то, чем мне нравится заниматься. Но “следует” – больше ощущение, чем логический принцип. Если есть способ лучше, кому-то другому следует им заняться. Но я сомневаюсь, что есть способ лучше, а этот хорош».
ВКРАТЦЕ• Ученые с давних пор использовали красоту в качестве руководящего принципа. Он не всегда оказывался верным.
• В теоретической физике симметрии принесли очень большую пользу. Теперь они считаются красивыми.
• Специалисты по физике элементарных частиц также думают, что теория красива, если содержит «естественные» числа – близкие к единице. Неестественное число называют «тонко настроенным».
• Если нам не хватает данных и нужна теория, чтобы решить, где искать новые, ошибки при разработке теории могут завести в тупик.
• Некоторые философы предлагают ослабить требования к научному методу так, чтобы ученые могли выбирать теории по критериям, не связанным со способностью теории объяснить наблюдения.
• Вопросы о том, как быть дальше, несмотря на отсутствие данных, и подправить ли научный метод, актуальны и за рамками оснований физики.
Глава 3
Союзное положение
В которой я обобщаю десять лет обучения на тридцати страницах и рассуждаю о счастливых деньках физики элементарных частиц.
Мир согласно физикам
Самый потрясающий факт о физике высоких энергий состоит в том, что вы можете преуспеть, ничегошеньки о ней не зная.
Возьмем кальций, один из элементов наших костей. Атом кальция состоит из 20 нейтронов и 20 протонов, которые связаны вместе в атомном остове – также называемом «ядро», – окруженном 20 электронами. Электроны являются фермионами и образуют отдельные оболочки вокруг ядра. Именно структура этих оболочек и определяет химические свойства кальция (рис. 2).
Вместе с тем протоны и нейтроны в ядре не сидят смирно, они постоянно в движении: перемещаются и сталкиваются друг с другом, испуская и поглощая особые частицы – переносчиков взаимодействия, – которые удерживают их вместе. Покоя в субатомном мире не бывает никогда. И тем не менее, невзирая на непрерывное движение, все атомы кальция ведут себя одинаково. К счастью для вас – ведь в противном случае ваши кости могли бы развалиться.
Рис. 2. Оболочечная модель атома, в которой электроны (e) располагаются на отдельных оболочках вокруг атомного ядра, состоящего из протонов (p) и нейтронов (n). Это пример разделения масштабов. Что делают частицы внутри ядра – не влияет на электронные оболочки и химические свойства атома.
Интуитивно вы всю свою жизнь знали: что бы ни делали нейтроны внутри атомов, все это не может быть таким уж важным, иначе вы бы об этом слышали. Однако по существу подобное отсутствие влияния совершенно поразительно. Учитывая превеликое множество отдельных компонентов, почему вся эта подструктура атома не порождает поведение, которое чрезвычайно сложно объяснить? Почему все атомы так похожи? Многочисленные частицы, из которых те состоят, каждая занимается своим делом, однако же атомы подчиняются удивительно простым законам – настолько простым, что атомы могут быть четко сгруппированы в периодической таблице, построенной исключительно на структуре электронных оболочек.
Похоже, природа безмерно доброжелательно относится к нашей жажде понять. Что бы ни происходило в ядре – остается в ядре; мы видим только суммарный эффект. Некоторые атомы связываются с водородом, другие нет – но то, что конкретно происходит в ядре, не имеет отношения к этой связи. Одни атомы формируют правильные кристаллические решетки, другие нет – и то, что творится в ядре, не влияет на строение кристаллической решетки.
Наша возможность игнорировать, что конкретно происходит с отдельными компонентами, относится не только к атомам. Свойства сложных частиц, таких как нейтроны и протоны, также почти не замечают движения их составляющих – кварков и глюонов. И когда мы описываем, например, как атомы шпыняют пыльцевые зерна на поверхности воды (броуновское движение), достаточно думать об атомах как о самостоятельных частицах и просто не учитывать, что они содержат что-то более мелкое. На еще больших масштабах все то же: планетные орбиты не зависят от строения планет, а – отодвигаемся еще дальше – на космологических масштабах даже с галактиками можно обращаться словно с частицами без составных элементов.
Это не значит, что происходящее на коротких расстояниях не оказывает вообще никакого влияния на то, что происходит на бо́льших, – просто детали не очень важны. Бо́льшие объекты состоят из меньших, и законы для более крупных вытекают из законов для более мелких. Неожиданность в том, что законы для крупных объектов столь просты.
Получается, значительная доля информации от меньших объектов не нужна для понимания более крупных. Мы говорим, что физика на коротких расстояниях «разъединяется» с физикой на бо́льших расстояниях, или что «масштабы разделяются». Это разделение масштабов и служит причиной, по которой вы можете идти по жизни, не зная ровным счетом ничего о кварках и бозоне Хиггса или – к ужасу профессоров физики во всем мире – не ведая, что представляет из себя квантовая теория поля.
Разделение масштабов имеет важные последствия. Оно означает, что мы можем сформулировать приблизительные законы природы, с неплохой точностью описывающие систему на некоем данном разрешении, а затем вносить в эти законы поправки по мере увеличения разрешения. Приблизительные законы, подходящие лишь для определенного разрешения, называются «эффективными».
При уменьшении разрешения, таким образом, часто целесообразно приспосабливаться к объектам, с которыми имеет дело теория, а также к свойствам, что мы им приписываем. При более низких разрешениях осмысленнее объединять в теории множество мелких компонентов в один объект побольше, присваивать этому крупному объекту имя и задавать его свойства. Вот как нам удается говорить об атомах и их оболочечной структуре, о молекулах и их колебательных модах, о металлах и их электропроводности – даже несмотря на то, что в