Как слово «теория» имеет в науке иное значение, нежели в быту, слово «уверен» также значит для ученых нечто особенное. Конечно, на самом деле я совершенно уверен, что нельзя взлететь, преодолев силу притяжения с помощью медитации. Я также уверен, что Земля круглая, что ей миллиарды лет и что жизнь развивается путем эволюции.
Уверен ли я, что темная материя существует? Почти.
О правде
Часто говорят, что есть разные способы постичь истину, что, собственно, есть разные виды истины. Конечно, философ или теолог, читающий эти строки, сочтет мой упрощенный взгляд на этот вопрос безнадежно наивным, однако я лично полагаю, что абсолютная истина – это то, что существует на самом деле, независимо от восприятия человека. Так что, когда я говорю о науке как о поиске истины, я имею в виду, что ученые пытаются как можно точнее познать конечную природу вещей, объективную реальность, которая ожидает открытия и интерпретации. Иногда может показаться, что эта объективная реальность – не более чем собрание фактов о мире, которые мы постепенно познаем, пока не познаем их все. Но помните, что в науке мы никогда ничего не можем знать наверняка. Всегда существует шанс, что через какое-то время мы поймем еще больше, и это еще на шаг приблизит нас к конечной истине, которая и является нашей целью.
В науке существует много идей и концептов, в отношении которых мы так уверены, что можем спокойно считать их фактами. Если я спрыгну с крыши, Земля притянет меня к себе (а я чуть-чуть подтяну ее наверх) согласно простому математическому уравнению, и это практически факт. Мы еще не знаем всего про гравитацию, но мы точно знаем, как она действует на объекты. Если я брошу мяч с высоты пяти метров, я без всякого секундомера буду знать, что, прежде чем удариться о землю, он пробудет в воздухе одну секунду – не две, не половину, а одну секунду. Когда-нибудь мы, возможно, разработаем новую теорию квантовой гравитации, но она никогда не подтвердит, что мячу понадобится в два раза больше или меньше времени, чем получается согласно ньютоновскому уравнению. Это – абсолютная истина нашего мира. Нет никакого философского аргумента, способа медитации, духовного учения или религиозного прозрения, или даже инстинктивного ощущения или политической идеологии, которые могли бы убедить меня, что мячу, брошенному с высоты пяти метров, нужна одна секунда, прежде чем удариться о землю. А вот наука – может.
Значит, в каком-то смысле еще остающиеся пробелы в наших знаниях о законах Вселенной – о природе темной материи, верности инфляционной теории, правильной интерпретации квантовой механики, истинной природе времени и так далее – не изменят нашего понимания сил, материи и энергии, формирующих мир вокруг нас. Будущие успехи физики не заставят устареть то, что мы уже знаем. Они просто приведут к более детализированным и глубоким знаниям.
Физика – это человек
В конечном счете физики ничем не отличаются от остальных людей. Нам хочется, чтобы наши идеи и теории были правильными, и мы будем защищать их от вновь возникающих свидетельств в пользу обратного. Даже самые блестящие физики, как мы знаем, пытались замолчать проблемы, касающиеся их собственных теорий, и всячески поддерживали критику конкурирующих с ними идей. Склонность к подтверждению существует в науке наряду с другими явлениями, и ученые тоже подвержены этой слабости. Мы стремимся получить должности и повышение по службе, конкурируем за получение финансирования, хотим завершить проект к назначенному сроку, готовы умереть за публикацию своей работы и изо всех сил стараемся заслужить уважение коллег и одобрение начальства.
И все-таки наша готовность к научным исследованиям должна, в частности, подразумевать готовность к самопожертвованию и честному отношению к науке, чтобы мы могли обуздать наши основные инстинкты. Мы должны сделать так, чтобы наши желания не ослепляли нас, чтобы наши предрассудки и субъективные интересы не заводили нас в тупик. Иногда кажется, что у нас это не выходит, особенно если иметь в виду отдельных ученых – и правда, известно несколько подтвержденных документально примеров мошенничества и коррупции в области научных исследований. Однако как исследовательское сообщество мы обладаем некими внутренними корректирующими процедурами, такими как коллегиальный обзор научных статей (я осознаю, что это неидеальный способ оценки научного исследования), и мы уделяем большое внимание воспитанию молодых ученых в духе ответственного отношения к своей работе. Это означает, что научный метод по самой своей природе является саморегулирующейся системой. Слабые теории в конце концов умирают, сколько бы усилий ни прилагали защитники для поддержания их жизни, даже если иногда требуется несколько поколений ученых для того, чтобы освободиться от оков особенно сильно утвердившейся теории, у которой истек «срок хранения».
Лучшие физики – чаще всего те, кому удалось подняться над повседневностью и освободиться от предрассудков, связанных с общим мнением, модой или репутацией – даже с их собственной. Но это с большей вероятностью происходит в тех случаях, когда уже известно, что данная теория не является последним словом в соответствующей области или что существуют конкурирующие теории, причем у каждой из них есть достойные защитники. Вспомним также, что физика, как и всякая другая наука, не является демократичной. Бывает так, что одно-единственное экспериментальное наблюдение низвергает общепринятую идею и возводит на пьедестал другую. И теперь уже эта новая теория находится под яркими лучами экспериментальных проверок для подтверждения ее правильности.
Можно считать, что многие спекулятивные идеи современной фундаментальной физики (некоторые мы обсуждали в главе 8) не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к настоящей научной теории, потому что их нельзя подтвердить опытными данными. Я бы отнес сюда (по крайней мере на сегодняшний день) теорию струн, петлевую теорию гравитации, теорию энтропии черных дыр и теорию мультивселенных. И все же тысячи физиков-теоретиков в мире ведут интенсивные исследования в этих направлениях. Может быть, им следует прекратить работу, поскольку их теории еще нельзя протестировать? Может быть, они зря тратят государственные средства, которые можно было бы вложить в более полезные научные направления? И что руководит этими физиками, если у них нет инструментов для проверки своих теорий? Или они просто ослеплены красотой уравнений? А иногда отдельные физики даже утверждают, что им и не нужно тестировать свои теории с помощью экспериментальных данных, а надо лишь сравнивать разные теории по их математической стройности и элегантности. Мне лично эта дорожка кажется довольно опасной.
Однако если я буду слишком строг к этим «любителям поиска в темноте», то проявлю недостаток воображения и понимания истории научных идей. Когда Максвелл записал свои уравнения электрического и магнитного полей и на этой основе вывел волновое уравнение для света, никто, включая самого Максвелла, не предполагал, как эти идеи будут использованы Генрихом Герцем, Оливером Лоджем, Гульельмо Маркони и другими, кто участвовал в изобретении радио. Разрабатывая теории относительности, Эйнштейн тоже не мог ожидать, что однажды они будут использованы для того, чтобы обеспечить точную спутниковую навигацию, к которой вы можете получить доступ с помощью технических чудес, воплощенных в суперкомпьютере в вашем кармане, а тот, в свою очередь, не удалось бы разработать без отвлеченного теоретизирования пионеров квантовой механики.
Итак, приверженцы инфляционной теории, теории струн и петлевой квантовой гравитации продолжают выполнять свою миссию – и правильно делают. Их идеи могут оказаться неверными или, наоборот, могут изменить ход истории. Или нам придется подождать появления второго Эйнштейна, а может, даже искусственного интеллекта, который поможет выйти из теперешнего затруднительного положения. Чего именно мы дождемся – пока сказать трудно. Но можно с уверенностью утверждать, что если мы когда-нибудь перестанем проявлять любопытство к сути явлений во Вселенной и откажемся от попыток понять, как она и все мы тут оказались, то мы изменим своей человеческой сущности.
А человеческая деятельность беспредельно плодотворна. Мы придумали искусство, и поэзию, и музыку; мы создали разные религии и политические системы; мы построили разные общества, культуры и империи, настолько богатые и сложные, что их никогда не удастся воплотить ни в какой математической формуле. Но если мы захотим узнать, откуда мы родом, где образовались атомы нашего организма, если захотим задать все вопросы, касающиеся мира и Вселенной, в которой мы обитаем, то только физика поможет нам прийти к истинному пониманию реального мира. А достигнув этого понимания, мы сможем участвовать в формировании нашего мира и собственной судьбы.
Благодарности
Это очень непростая задача – показать сбалансированную картину обширной фундаментальной физики в такой небольшой книге, предназначенной для непрофессионалов. И при этом все-таки постараться войти в некоторые подробности относительно последних достижений во многих областях и свести их в единое целое. Предоставляю вам судить о том, насколько хорошо мне это удалось. Мне также хотелось избежать избитых метафор и аналогий, которые так часто встречаются в научно-популярной литературе. Многие из них в конце концов изживают себя или в условиях появления новых знаний начинают противоречить истине.
И даже если все это в принципе достижимо, есть еще одна проблема.
Остров наших познаний в физике окружен океаном того, что еще предстоит объяснить, но площадь этого острова все время увеличивается. Моя книга предназначена для того, чтобы исследовать побережье этого острова – передние рубежи наших современных знаний. Однако точное и краткое описание этого побережья – непростая задача для одного человека. Хотя я могу обращаться к более чем 30-летнему опыту исследований в области теоретической физики, а также почти столь же длительному опыту преподавания и популяризации науки, позволившим мне отточить навыки поиска нужных языковых средств для раскрытия сложных концептов, я тем не менее вполне осознаю ограниченность своих возможностей, когда речь идет о тех областях физики, которые лежат за пределами моего опыта. Поэтому я хочу выразить огромную признательность моим коллегам и сотрудникам за многочисленные плодотворные дискуссии со мной в течение многих лет. Я также очень благодарен всем, кто потратил свое драгоценное время на чтение моей рукописи и вносил предложения, которые помогли мне заполнить пробелы в знаниях. Ваши предложения тончайших изменений в формулировках позволили сделать объяснения более точными без потери ясности и простоты.