Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Вера в красоту часто окупалась в прошлом. Теории гравитации Ньютона бросило вызов движение Урана, которое не подчинялось ее предсказаниям. Урбен Леверрье, а также Джон Коуч Адамс, верившие в красоту теории, решились предположить существование новой планеты, еще не наблюдавшейся, чье влияние могло бы все объяснить. Их вычисления подсказали астрономам, куда смотреть, и привели к открытию Нептуна. Выдающийся синтез Максвелла, как мы видели, предсказал новые цвета света, невидимые для наших глаз и еще не наблюдавшиеся. Доверяя красоте теории, Герц произвел и наблюдал радиоволны. Ближе к нашему времени Поль Дирак предсказал с помощью странного и красивого уравнения существование античастиц, которые еще никогда не наблюдались, но вскоре после этого были обнаружены. Главная теория, прочно основанная на симметрии, дала нам цветные глюоны, W- и Z-частицы, частицу Хиггса, очарованный кварк и частицы третьего семейства – все путем предсказаний, до их экспериментального наблюдения.

Но ведь были и неудачи. Теория атомов Платона и модель Солнечной системы Кеплера были красивыми теориями, которые в качестве описаний Природы полностью провалились. Другим провалом была теория атомов Кельвина, который предположил, что они являлись вихревыми узлами в эфире. (Замкнутые вихри имеют различные формы, и их не так легко разрушить, таким образом, они представляли собой, как могло бы показаться, подходящий материал для атомов.) Эти «неудачи» были не без добра: теория Платона вдохновила более глубокое исследование геометрии и симметрии, модель Кеплера сподвигнула его на выдающуюся карьеру в астрономии, а модель Кельвина подсказала математику Питеру Тэту разработку теории узлов в математике, которая продолжает быть актуальной темой сегодня – но как теории материального мира они безнадежно ошибочны.

Судьба суперсимметрии еще не решена. Ее открытие, как я описал, вознаградило бы нашу веру в красоту как проводника к глубинным механизмам реальности. Есть серьезные основания думать, что открытие грядет, и красивые доводы надеяться на это, но пока этого не случилось.

Поживем – увидим.

Двойное Благословение

Согласно истории о Фоме Неверующем, апостол Фома скептически отнесся к воскресению Иисуса, отказываясь верить при отсутствии доказательств:

Если не увижу на руках Его ран от гвоздей, и не вложу перста моего в раны от гвоздей, и не вложу руки моей в ребра Его, не поверю.

Когда затем Иисус явился Фоме, он позволил Фоме изучить свои раны, и Фома поверил. Иисус сказал:

Фома, ты поверил, потому что увидел Меня; блаженны невидевшие и уверовавшие.

Эта история вдохновила многие произведения искусства, включая картину Караваджо «Неверие Святого Фомы» (вклейка YY), которую я считаю очень яркой. По-моему, интерпретация Караваджо передает две глубокие идеи, которые выходят за рамки скупого текста Евангелия. Видно, во-первых, что Иисус не сопротивляется любознательному исследованию Фомы, а скорее приветствует его. И видно, что Фома очарован и взволнован, обнаружив, что действительность соответствует его самым глубоким надеждам. Неверующий Фома – это герой и счастливый человек.

Те, кто верит без оглядки, утешаются радостной уверенностью. Но это хрупкая уверенность и ложная радость.

Те, чья вера не пассивна, а интересуется действительностью, получат второе, более полноценное благословение, основанное на гармонии веры и опыта. Блаженны те, кто веруют в то, что они видят.

Красивый Ответ?

Не все красивые идеи о глубоких основах действительности верны. Модель геометрически идеальных атомов Платона и модель геометрической Солнечной системы Кеплера – примеры, которые мы уже обсудили. Необыкновенный «Человек по Витрувию» работы Леонардо да Винчи (вклейка ZZ) отсылает к идеям иного рода. Его рисунок предполагает, что есть фундаментальные связи между геометрией и (идеальными) человеческими пропорциями. Эта концепция восходит к еще более древним философским и мистическим традициям и намного более популярна, чем ход мысли Пифагора, которому мы следовали: к идее о том, что человеческое тело отражает структуру Вселенной, и наоборот. Возможно, к сожалению, ни мы, люди, ни наши тела не играют заметной роли в картине мира, которая вырисовывается из научных исследований.

И не все истины о глубинных основах реальности красивы. У Главной теории много слабых мест и невеликие перспективы разобраться с ними. Даже если мои мечты об аксионах, суперсимметрии и объединении сбудутся, запутанная система масс кварков и лептонов, а скорее ее отсутствие, и концептуально непрозрачная темная энергия останутся проблемами в обозримом будущем.

Тем не менее в заключение этой медитации вы согласитесь, я надеюсь, что единственный подходящий ответ на ее Вопрос

Воплощает ли мир красивые идеи?

это уверенное

«Да!».

Этот ответ проявлялся все сильнее и яснее с каждой новой страницей. Реальность далеко превзошла самые смелые надежды Пифагора и Платона найти концептуальную чистоту, порядок и гармонию в основе мироздания. Музыка сфер действительно звучит, воплощенная в атомах и в современной Пустоте, похожая на музыку в обычном смысле, но по-своему оригинальная и богатая. Солнечная система не воплощает изначальное видение Кеплера, но ведь он и обнаружил точность законов ее движения и, таким образом, открыл дорогу необыкновенной красоте небесной механики Ньютона. Свет действительно несет гораздо больше, чем открывает нам даже наше поразительное зрительное восприятие, а наше воображение – и не только воображение! – открывает новые Двери восприятия. Основные силы Природы олицетворяют симметрию и осуществляются посредством ее воплощений.

Также и идеи да Винчи не были полностью ошибочны, если мы интерпретируем их в более широком смысле. Связь человеческое тело ↔ космос более не кажется краеугольной, но ее близкий родственник, связь

микромир ↔ макромир

процветает.

В этой медитации мы главным образом исследовали левую сторону этой пары понятий, теперь же давайте с помощью вклейки AAA посмотрим за ее пределы. Это изображение неба, каким оно предстало бы наблюдателю, глаза которого ощущают микроволновое излучение, а не видимый свет. Конечно, чтобы показать информацию в форме, которую люди могут воспринять, была сделана некоторая обработка изображения. Интенсивность излучения представлена цветом, причем темно-синий соответствует самой низкой интенсивности, ярко-красный – самой высокой, а промежуточные цвета, которые вы видите, отображают интенсивности между этими экстремальными значениями. Кроме того – важнейшая «деталь»! – мы вычли средний фон и увеличили контраст примерно в 10 тысяч раз[85]. Необработанное изображение было бы бесформенным туманом; то, что вы видите, – это картина малых отклонений от среднего.

Ведущая интерпретация этого изображения дает удивительные связи между микрокосмосом и макрокосмосом. Микроволновое небо – это снимок условий в ранней Вселенной, примерно 13,8 миллиардов лет назад и спустя лишь приблизительно 380 000 лет после Большого взрыва. Свет, излученный тогда, доходит до нас сейчас, пройдя очень длинный путь, и вот какую информацию он нам несет. 13, 8 миллиардов лет назад Вселенная была почти (но не совсем) полностью однородной. Она содержала отклонения от совершенной однородности величиной всего в несколько десятитысячных.

Эти отклонения от однородности выросли за счет гравитационной нестабильности (более плотные области притягивают материю из окружающих менее плотных областей, и контраст плотности растет). В конечном счете они породили галактики, звезды и планеты, какими мы знаем их сегодня. Все это – довольно очевидная астрофизика, коль скоро у нас есть «зародыши» этих образований. Таким образом, возникает большой вопрос: как вообще возникли эти неоднородности?

Для уверенности нам нужно больше доказательств, но кажется вероятным, основываясь на ныне имеющихся данных, что они имели свое начало в виде квантовых флуктуаций, подобных тем, что показаны на вклейке XX. В современных условиях квантовые флуктуации играют существенную роль только на очень маленьких расстояниях, но этап очень, очень быстрого расширения в ранней истории Вселенной, посредством так называемой космической инфляции, мог увеличить их до вселенских пропорций.

Мы, люди, балансируем между Микромиром и Макромиром, содержим в себе первый, воспринимаем второй и постигаем оба.

С небес на землю