"Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует" - читать интересную книгу автора (Смолин Ли)

2 Красивый миф

Самой заветной целью в физике, как в плохой романтической новелле, является объединение. Свести вместе две вещи, которые ранее понимались как различные, и осознать их как аспекты единой сущности, – когда мы можем сделать это, – это наиболее волнующая вещь в науке.

Единственный здравый отклик на предложенное объединение есть удивление. Солнце является только еще одной звездой – а звезды являются только солнцами, которые удалены очень далеко! Представьте себе реакцию кузнеца или актера конца шестнадцатого века на слух об этой дикой идее Джордано Бруно. Что могло бы быть более абсурдным, чем объединять Солнце со звездами? Люди были научены, что Солнце было великим огнем, созданным Богом, чтобы обогревать Землю, тогда как звезды были отверстиями в небесной сфере, которая преграждала путь свету небес. Объединение немедленно низвергает ваш мир с высот вниз. То, что вы использовали для веры, становится невозможным. Если звезды являются солнцами, вселенная оказывается безмерно больше, чем вы думали! Небеса не могут быть прямо над головой!

И даже более важно, что новое предложение об объединении приносит с собой ранее невообразимые гипотезы. Если звезды являются другими солнцами, должны быть планеты вокруг них, на которых живут другие люди! Следствия часто распространяются за пределы науки. Если есть другие планеты с другими людьми на них, тогда или Иисус приходил ко всем им, а в этом случае его приход к Человеку был не уникальным событием, или все те люди потеряли возможность спасения! Не удивительно, что католическая церковь сожгла Бруно живьем.

Великие объединения стали основополагающими идеями, на которых воздвиглись целые новые науки. Иногда следствия настолько угрожали нашему мировоззрению, что удивление быстро сменялось недоверием. Перед Дарвином каждый биологический вид находился в своей собственной вечной категории. Каждый вид был индивидуально создан Богом. Но эволюция при помощи естественного отбора означает, что все виды имеют общего предка. Они объединены в одну великую семью. Биология перед Дарвином и биология после него вряд ли являются одной и той же наукой.

Такая мощь новых прозрений быстро приводит к новым открытиям. Если все живые существа имеют общего предка, они должны быть устроены сходным образом! В самом деле, мы были сделаны из одинакового вещества, поскольку все живое оказывается состоящим из клеток. Растения, животные, грибки и бактерии кажутся весьма отличающимися друг от друга, но все они являются просто собраниями клеток, упорядоченных различными способами. Химические процессы, которые создают и поддерживают эти клетки, одни и те же во всей империи жизни.

Если предложения объединения являются столь шокирующими для нашего первоначального образа мыслей, как получается, что люди приходят к уверенности в них? Это во многих отношениях главный вопрос нашей истории, о нем история нескольких предложенных объединений, некоторые из которых стали сильной верой многих ученых. Но ни одно из них не достигло признания среди всех ученых. Как следствие, мы имеем активные разногласия и, временами, эмоциональные споры, результат попытки радикального изменения мировоззрений. Итак, когда кто-нибудь предлагает новое объединение, как мы можем сказать, является ли оно верным или нет?

Как вы можете представить, не все предложения объединения оказываются верными. В одно время химики предположили, что теплота является субстанцией, подобной материи. Она была названа флогистоном. Эта концепция объединяла теплоту и материю. Но она была ложной. Правильное предложение по объединению теплоты и материи в том, что теплота есть энергия хаотического движения атомов. Но, хотя атомизм был предложен древними индусами и греками, потребовалось время до конца девятнадцатого века, прежде чем теория теплоты как хаотического движения атомов была должным образом разработана.

В истории физики было много предложений объединяющих теорий, которые оказывались неправильными. Одной из знаменитых была идея, что свет и звук, по существу, являются одной и той же вещью: Они оба мыслились как колебания в материи. Поскольку звук есть колебания воздуха, было предположено, что свет является колебаниями нового вида материи, названного эфиром. Точно так же, как пространство вокруг нас заполнено воздухом, вселенная заполнена эфиром. Эйнштейн похоронил эту специфическую идею, предложив свой собственный вариант объединения.

Все важные идеи, которые теоретики изучают последние тридцать лет – такие как теория струн, суперсимметрия, высшие размерности, петли и другое – являются предложениями объединения. Как нам сказать, какие из них являются правильными, а какие нет?

Я уже отмечал два свойства, элементы которых содержатся в успешных объединениях. Первое, удивительность, не может быть недооценено. Если что-то не является удивительным, то идея или не интересна, или кое-что мы знали и раньше. Второе, следствия должны быть драматическими: Объединение должно быстро приводить к новым прозрениям и гипотезам, становясь двигателем, который форсирует прогресс в понимании.

Но есть и третий фактор, который побивает оба первых. Хорошая унифицирующая теория должна предлагать предсказания, которые никто и не думал сделать ранее. Она может даже предложить новые виды экспериментов, которые имеют смысл только в свете новой теории. И самое важное из всего, предсказания должны быть подтверждены экспериментом.

Эти три критерия – удивительность, новое прозрение и новые предсказания, подтвержденные экспериментом – являются тем, что мы будем искать, когда мы подойдем к оценке перспектив современных попыток объединения.

Физики, кажется, ощущают глубокую потребность в объединении, и некоторые говорят так, как будто любой шаг в направлении дальнейшей унификации должен быть шагом в направлении истины. Но жизнь не столь проста. В любой момент времени может существовать более чем один возможный путь к объединению известных нам вещей – пути, которые ведут науку в различных направлениях. В шестнадцатом столетии на столе было два очень отличающихся предложения по объединению. Это была старая теория Аристотеля и Птолемея, в соответствии с которой планеты были объединены с Солнцем и Луной как части небесных сфер. Но было и новое предложение Коперника, который объединил планеты с Землей. Каждый подход имел великие последствия для науки. Но, по большей части, только один мог бы быть верным.

Мы можем видеть здесь цену выбора ложного объединения. Если Земля является центром вселенной, это имеет потрясающие последствия для нашего понимания движения. В небе планеты изменяют направление, поскольку они прикреплены к кругам, чья природа заключается в вечном вращении. Этого никогда не происходит с вещами на Земле: все, что мы толкнем или бросим, быстро приходит в покой. Это естественное состояние вещей, которые не прикреплены к космическим кругам. Таким образом, во вселенной Птолемея и Аристотеля имеется большое отличие между понятиями быть в движении и быть в покое.

В их мире имеется также большое отличие между небесами и Землей – вещи на Земле следуют законам, отличным от законов, которые мы получаем на небе. Птолемей предположил, что определенные тела в небе – Солнце, Луна и пять известных ему планет – двигаются по окружностям, которые сами двигаются по окружностям. Эти так называемые эпициклы давали возможность предсказывать затмения и движения планет – предсказания, которые имели точность в 1 часть на 1000, таким образом показывая плодотворность объединения Солнца, Луны и планет. Аристотель дал естественное объяснение для нахождения Земли в центре вселенной: она состоит из земного вещества, чья природа заключается не в движении по кругам, а в стремлении к центру.

Для того, кто получил образование в этой точке зрения и привык к тому, как мощно она объясняет то, что мы видим вокруг нас, предположение Коперника от том, что планеты должны рассматриваться единым с Землей, но не с Солнцем, образом, должно быть крайне выбивающим из колеи. Если Земля является планетой, тогда она и все на ней находится в непрерывном движении. Как это может быть? Это нарушало закон Аристотеля, что все, что не находится на небесных кругах, должно приходить в покой. Это также нарушало опыт, по которому, если Земля движется, то как мы можем не ощущать этого?

Ответ на эту загадку был величайшим среди всех объединением в науке: объединением движения и покоя. Оно было предложено Галилеем и выражено в первом законе движения Ньютона, а также названо принципом инерции: Тело в покое или в равномерном движении остается в этом состоянии покоя или равномерного движения, пока оно не возмущается силами.

Под равномерным движением Ньютон понимал движение с постоянной скоростью в одном направлении. Быть в покое становится только частным случаем равномерного движения – это просто движение с нулевой скоростью.

Как это может быть, что нет различия между движением и покоем? Главное тут осознать, что факт, двигается тело или нет, не имеет абсолютного смысла. Движение определяется только по отношению к наблюдателю, который сам может двигаться или нет. Если вы двигаетесь за мной с неизменным темпом, то чашка кофе, которую я воспринимаю покоящейся на моем столе, двигается относительно вас.

Но не может ли наблюдатель сказать, двигается он или нет? По Аристотелю ответ был, очевидно, да. Галилей и Ньютон настаивали на ответе: нет. Если Земля движется, а мы этого не ощущаем, тогда должно быть, что наблюдатели, двигаясь с постоянной скоростью, не ощущают никаких эффектов от своего движения. Поэтому мы не можем сказать, покоимся мы или нет, а движение должно определяться исключительно как относительная величина.

Тут имеется важное предостережение: мы говорим о равномерном движении – движении по прямой линии. (Хотя Земля, конечно, не двигается по прямой линии, отклонения от нее слишком малы, чтобы ощущаться непосредственно.) Когда мы изменяем скорость или направление нашего движения, мы это чувствуем. Такие изменения есть то, что мы называем ускорением, и ускорение может иметь абсолютный смысл.

Галилей и Ньютон достигли здесь тонкого и красивого интеллектуального триумфа. Для других было очевидно, что движение и покой являются полностью разными явлениями, легко различимыми. Но принцип инерции объединяет их. Чтобы объяснить, как получается, что они кажутся различными, Галилей придумал принцип относительности. Он говорит нам, что различие между движением и нахождением в покое имеет смысл только по отношению к наблюдателю. Поскольку разные наблюдатели двигаются по-разному, они по-разному различают, какие объекты двигаются, а какие покоятся. Так что факт, что каждый наблюдатель делает различие, сохраняется, как и должно быть. Таким образом, движется ли нечто или нет, перестало быть феноменом, который требует объяснения. Для Аристотеля, если нечто движется, должна быть действующая на него сила. Для Ньютона, если движение однородное, оно сохраняется навсегда; не нужна сила, чтобы объяснить его.

Это является мощной стратегией, которая повторяется в более поздних теориях. Один из способов объединить вещи, которые проявляются как различные, заключается в том, чтобы показать, что видимые различия происходят из-за различия в точке зрения наблюдателей. Различие, которое ранее рассматривалось как абсолютное, становится относительным. Этот вид объединения бывает нечасто и представляет собой высшую форму научного творчества. Когда он достигнут, он радикально меняет наш взгляд на мир.

Предположения, что две, очевидно, очень разные вещи являются одной и той же, часто требуют очень много объяснений. Только иногда вы можете сформировать объяснение видимого отличия как следствие различных точек зрения. В иных случаях вещи, которые вы выбрали для объединения, являются поистине разными. Тогда необходимость объяснения, как вещи, которые кажутся различными, на самом деле являются в некотором смысле одним и тем же, может причинить теоретику много неприятностей.

Посмотрим на последствия предположения Бруно, что звезды на самом деле подобны нашему Солнцу. Звезды выглядят намного более тусклыми, чем Солнце. Если они, тем не менее, подобны Солнцу, тогда они должны быть очень далеко. Расстояния, которые он привлек, были намного, намного больше, чем в то время мыслилась вселенная. Так что предложение Бруно кажется, на первый взгляд, абсурдным.

Конечно, это была удобная возможность сделать новое предсказание: если бы вы могли измерить расстояние до звезд, вы нашли бы их, фактически, намного более удаленными, чем планеты. Если бы это было возможно во времена Бруно, он мог бы спастись от огня. Но это было за столетия до того времени, когда расстояние до звезд смогло быть измерено. С практической точки зрения то, что сделал Бруно, было формулирование утверждения, которое было не проверяемо при заданной технологии того времени. Предположение Бруно легко устанавливало звезды на таком расстоянии, что никто не мог бы проверить его идею.

Так что иногда необходимость объяснить, как вещи объединяются, заставляет вас постулировать новые гипотезы, которые вы просто не можете проверить. Это, как мы видели, не означает, что вы ошибаетесь, но это означает, что основатели новых унификаций могут легко оказаться на зыбком грунте.

На деле может быть еще хуже. Такие гипотезы имеют обыкновение зацепляться друг за друга. Фактически, Копернику нужно было, чтобы звезды были очень удаленными. Если бы звезды были так близко, как верил Аристотель, вы могли бы опровергнуть движение Земли – поскольку, если Земля движется, наблюдаемые положения звезд друг относительно друга менялись бы. Чтобы объяснить, почему этот эффект не виден, Коперник и его последователи поверили, что звезды очень далеко. (Конечно, мы знаем теперь, что звезды тоже двигаются, но они находятся на таких чудовищных расстояниях, что их положения в нашем небе изменяются экстремально медленно.)

Но если звезды столь далеки, как мы можем их видеть? Они должны быть очень яркими, вероятно, столь же яркими, как и Солнце. Поэтому предположение Бруно о вселенной, заполненной бесконечно большим числом звезд, естественно подходит к предположению Коперника, что Земля движется как планета. Мы видим здесь, что различные предложения по унификации часто идут вместе. Предположение, что звезды объединяются с Солнцем, идет вместе с предположением, что планеты объединяются с Землей, и оба этих предположения требуют, чтобы движение и покой были объединены.

Эти идеи, новые в шестнадцатом столетии, противоположны другой группе идей. Предположение Птолемея, что планеты объединяются с Солнцем и Луной и что все они двигаются по эпициклам, шло рука об руку с теорией движения Аристотеля, которая объединяла все известные явления на Земле.

Итак, мы достигли двух групп идей, каждая из которых содержит несколько предположений по унификации. Следовательно, на кону часто оказывается целая группа идей, в которых различные вещи унифицируются на различных уровнях. Перед тем, как споры разрешаются, имеются хорошие основания для уверенности с каждой стороны. Каждая сторона может поддерживаться наблюдениями. Иногда даже один и тот же эксперимент может быть интерпретирован как доказательство конкурирующих теорий унификации.

Чтобы увидеть, как это может происходить, рассмотрим мяч, падающий с вершины башни. Что происходит? Он падает на землю и приземляется у основания башни. Он не улетает в западном направлении. Ну, вы могли бы сказать, что Коперник и его последователи, очевидно, ошиблись, опыт доказывает, что Земля не вращается вокруг своей оси. Если бы Земля вращалась, мяч приземлился бы весьма далеко от основания башни.

Но Галилей и Ньютон могли бы также заявить, что падение мяча доказывает их теорию. Принцип инерции говорит нам, что если мяч движется в западном направлении вместе с Землей, когда он сброшен, он будет продолжать двигаться на запад и в процессе падения. Но мяч двигается на запад точно с той же скоростью, что и башня, так что он падает к основанию башни. То же самое доказательство, которое аристотелев философ мог бы использовать для подтверждения, что Галилей ошибся, принимается Галилеем как доказательство, что его теория корректна.

Как же нам, тем не менее, различить, какое предложенное объединение правильно, а какое ложно? В некотором смысле, тут имеется преобладание доказательства. Одна гипотеза оказывается настолько более плодотворна, чем другая, что рациональная личность не будет иметь выбора, кроме как согласиться, что первая доказана. Что касается ньютоновской революции, то тут, по существу, было реальное доказательство из наблюдения, что Земля движется относительно звезд. Но перед тем, как это произошло, точность ньютоновских законов была доказана в таком большом количестве инстанций, что тут не могло быть поворота назад. Однако, в середине научной революции часто имеются рациональные основания, оказывающие поддержку соперничающим гипотезам. Мы находимся сейчас в таком периоде, и мы будем исследовать в последующих главах конфликтующие утверждения по объединению. Я сделаю все от меня зависящее, чтобы объяснить аргументы, которые поддерживают различные стороны, пока буду показывать, почему ученые еще достигают консенсуса.

Конечно, нам надлежит проявлять осторожность. Не все доказательства, высказанные в поддержку взгляда, надежно обоснованы. Иногда утверждения, придуманные в поддержку теории, испытывающей затруднения, являются только ее усовершенствованиями. Я недавно встретился с энергичной группой людей, стоящих в проходе на рейс из Лондона в Торонто. Они поздоровались и спросили меня, откуда я прибыл, и когда я сказал им, что я возвращаюсь с космологической конференции, они немедленно спросили меня про мой взгляд на эволюцию. "О, нет," – подумал я, тогда надо продолжать говорить им, что естественный отбор доказал свою правильность вне всяких сомнений. Они представились как члены Библейского колледжа, возвращающиеся после миссии в Африке, одна из целей которой, как оказалось, заключалась в проверке догматов креационизма. Так как они хотели втянуть меня в дискуссию, я предостерег их, что они проиграют, так как я знаю почти все доказательства. "Нет," – настаивали они, – "вы не знаете все факты." Так что я пошел на это. Когда я сказал: "Но вы, конечно, согласитесь с фактом, что мы имеем ископаемые останки многих созданий, которые больше не живут," – они ответили: "Нет!"

"Почему вы полагаете, что нет? Как насчет динозавров?"

"Динозавры все еще живы и бродят по земле!"

"Это нелепо! Где?"

"В Африке."

"В Африке? Африка полна людей. Динозавры на самом деле громадные. Как получается, что никто их не видит?"

"Они живут глубоко в джунглях."

"Кто-то все равно должен был их видеть. Вы утверждаете, что знаете кого-нибудь, кто их видел?"

"Пигмеи говорили нам, что они видят их каждый раз все время. Мы смотрели, но мы не видели ни одного, но мы видели царапины, которые они сделали, на высоте от восемнадцати до двадцати футов на стволах деревьев."

"Тогда вы согласитесь, что это гигантские животные. И ископаемые останки свидетельствуют, что они жили большими стадами. Как это могло бы быть, что никто, кроме пигмеев, их не видел?" "Это просто. Они проводят большую часть своего времени в спячке в пещерах."

"В джунглях? В джунглях есть пещеры?"

"Конечно, есть, почему нет?"

"Достаточно большие пещеры, чтобы туда поместился гигантский динозавр? Если пещеры столь велики, их должно быть легко найти, и вы могли бы заглянуть внутрь и увидеть их спящими."

"Чтобы защитить себя во время своей спячки, динозавры закрывают входы своих пещер навозом, так что никто не может сказать, что они здесь."

"Как они так хорошо закрывают свои пещеры, что их нельзя увидеть? Они используют свои лапы или, возможно, пихают навоз своим носом?"

В этом месте креационисты согласились, что они не знают, но они сказали мне, что "библейские биологи" из их школы находятся сейчас в джунглях в поисках динозавров.

"Будьте любезны, дайте мне знать, если они обнаружат хоть одного живого," – сказал я и вернулся на свое сидение.

Я это не выдумал, и я рассказал это не только для вашего развлечения. Это иллюстрирует, что рациональность не всегда является простым упражнением. Обычно рациональным является не верить в теорию, которая предсказывает нечто, что никто никогда не видел. Но иногда имеются веские основания для чего-то быть никогда не наблюдаемым. Как никак, если там есть динозавры, они должны где-то прятаться. Почему не в пещерах в джунглях Африки?

Это может показаться глупым, но физики, занимающиеся частицами, не один раз чувствовали необходимость придумать невидимые частицы, такие как нейтрино, чтобы придать смысл определенным теоретическим или математическим результатам. Чтобы объяснить, почему их тяжело зарегистрировать, они вынуждены были сделать нейтрино очень слабо взаимодействующими. В этом случае это была правильная стратегия, через много лет кто-то оказался в состоянии разработать эксперимент, который нашел нейтрино. И они взаимодействовали очень слабо.

Итак, иногда является рациональным не отбрасывать прочь хорошую теорию, если она предсказывает вещи, которые не могут наблюдаться. Иногда гипотезы, которые вы вынуждены были придумать, оказываются правильными. Придумывая такие специальные (ad hoc) гипотезы, вы не только можете сохранить правдоподобность идеи, но также иногда и предсказать новые явления. Но с некоторого момента вы начинаете перегибать палку. Обитающие в пещерах динозавры, вероятно, квалифицируются именно так. Когда вы проходите точку, где когда-то хорошая идея становится ничего не стоящей, неприятности первыми являются предметом критики. Это определенно тот самый случай, когда хорошо подготовленные, умные люди не соглашаются. Но, в конечном счете, достигается точка, где имеется такой перевес доказательств, что ни одна рациональная, ясно мыслящая персона не будет думать об идее, как о правдоподобной.

Одним из способов оценить, достигли ли вы этой точки, служит взгляд на однозначность. Во время научной революции в каждый момент времени на столе оказываются часто несколько предложений по унификации, угрожая повести науку в несовместимых направлениях. Это нормально, и в середине революции нет необходимости в рациональных основаниях, чтобы выбрать одно среди других. В такое время даже очень умные люди, которые выбирают между соревнующимися взглядами, слишком скоро и часто ошибутся.

Но одно предложение по объединению может завершиться объяснением намного большего, чем остальные, и обычно это простейшее предложение. В этот момент, когда отдельное предложение чрезвычайно превосходит остальные с точки зрения генерирования новых прозрений, согласия с экспериментом, объяснительной силы и простоты, это принимается за видимость однозначности. Мы говорим, что предложение попало в круг истины.

Чтобы увидеть, как это может произойти, рассмотрим три унификации, предложенные одной персоной, немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571–1630). На протяжении жизни Кеплера его навязчивой идеей были планеты. Поскольку он верил, что Земля является планетой, он знал их шесть, от Меркурия до Сатурна. Их движения по небу наблюдались тысячи лет, так что было весьма много данных. Самые точные данные пришли от датского астронома Тихо Браге. Кеплер, в конце концов, пришел работать к Тихо Браге, чтобы овладеть его данными (и после смерти Браге он своровал их, но это другая история).

Каждая планетная орбита имеет радиус. Каждая планета также имеет орбитальную скорость. Надо добавить, что скорость не однородна, планеты ускоряются и замедляются, когда они двигаются вокруг Солнца по своим орбитам. Все эти числа кажутся случайными. Кеплер всю свою жизнь добивался принципа, который мог бы объединить движения планет, и, сделав это, объяснить данные по планетарным орбитам.

Сначала Кеплер занялся унификацией планет, лежащей на линии античной традиции, по которой космологическая теория должна использовать только простейшие фигуры. Одна из причин, по которой греки верили в круги, двигающиеся по кругам, заключается в том, что круг есть простейшая, а потому самая прекрасная из замкнутых фигур. Кеплер исследовал не менее прекрасные геометрические фигуры, которые могли объяснить размеры орбит планет. И он нашел очень элегантную идею, проиллюстрированную на Рис.1.

Рисунок 1. Первая теория Солнечной системы Кеплера, основанная на Платоновых телах.

Примем орбиту Земли как данную. Тогда необходимо объяснить пять чисел: пять отношений диаметров орбит других пяти планет к диаметру орбиты Земли. Если они могут быть объяснены, должна существовать некоторая красивая геометрическая конструкция, которая дает в точности эти пять чисел. Не больше и не меньше. Так что же, проблема в геометрии, для которой имеются точно пять ответов?

Да. Куб является совершенным видом тела, для которого каждая сторона такая же, как и любая другая, и каждое ребро имеет ту же длину, что и все остальные ребра. Такие тела называются Платоновыми телами. Сколько их? Точно пять: кроме куба, еще тетраэдр, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр.

Кеплеру долго не удавалось сделать ошеломляющее открытие. Впишем орбиту Земли в сферу. Опишем додекаэдр вокруг сферы. Опишем сферу вокруг него. Орбита Марса располагается на этой сфере. Опишем тетраэдр вокруг этой сферы и следующую сферу вокруг тетраэдра. Орбита Юпитера располагается на этой сфере. Вокруг орбиты Юпитера располагается куб, вне которого летает Сатурн. Внутри земной орбиты Кеплер расположил икосаэдр, вокруг которого вращается Венера, а внутри венерианской орбиты расположился додекаэдр, для Меркурия. Эта объединяющая теория объясняла диаметры орбит планет, что ни одна теория не делала раньше. Это было математически красиво. Так почему в это не поверили? В той же степени, в какой теория была неотразима, она никуда не привела. На ее основе не было предсказано никаких новых явлений. Она даже не привела к пониманию орбитальных скоростей планет. Идея была слишком статической; она объединяла, но не приносила науке ничего интересного.

Кеплер думал об этом долгое время. Поскольку диаметры орбит были объяснены, ему нужно было только объяснить скорости различных планет. Наконец он предположил, что когда планеты путешествуют, их "пение" и частоты нот пропорциональны их скоростям. Высоты пения различных планет, когда они путешествуют по своим орбитам, составляют гармонию шести голосов, которые он назвал гармонией сфер.

Эта идея также имела античные корни, возвращаясь к открытию Пифагора, что корни музыкальной гармонии находятся в отношениях чисел. Но она страдала от очевидной проблемы. Эта идея неоднозначна: имеется много красивых согласований шести голосов. Даже хуже, оказалось, что есть больше, чем шесть планет. И Галилей, современник Кеплера, открыл четыре луны, вращающихся вокруг Юпитера. Так что была еще и другая система орбит в небе. Если теория Кеплера была верна, она должна была быть применима и к вновь открытой системе. Но она была не применима.

Отдельно от этих двух предположений о математической структуре космоса Кеплер сделал три открытия, которые привели к реальному прогрессу в науке. Это были три закона, благодаря которым он сегодня широко известен, предложенные после многолетнего изнурительного кропотливого анализа данных, которые он украл у Тихо Браге. Они были не столь красивы, как другие предложения Кеплера, но они работали. Более того, один из них совершал нечто, чего Кеплер не смог бы сделать иным образом, а именно, было найдено соотношение между скоростями и диаметрами орбит. Три закона Кеплера не только согласуются с данными по всем шести планетам, они согласуются и с наблюдениями спутников Юпитера.

Кеплер открыл эти три закона потому, что он принял унификацию Коперника в свои логические заключения. Коперник сказал, что Солнце находится в центре (или, на самом деле, вблизи центра) вселенной, но в его теории планеты двигались бы тем же образом, было бы Солнце там или нет. Его единственной ролью было освещение сцены. Успех теории Коперника привел Кеплера к вопросу, а не может ли нахождение Солнца вблизи центра каждой планетной орбиты указывать на реальное совпадение центров. И не может ли Солнце, вместо этого, играть некоторую роль в определении планетных орбит. Может ли Солнце некоторым образом оказывать силу на планеты, и может ли эта сила быть объяснением их движения?

Чтобы ответить на эти вопросы, Кеплер выяснил роль точного положения Солнца в каждой орбите. Его первый большой прорыв заключался в открытии, что орбиты не являются кругами, они являются эллипсами. И у Солнца определенная роль: оно находится точно в фокусе эллипса каждой орбиты. Это был первый закон Кеплера. Вскоре после этого он открыл свой второй закон, который заключался в том, что скорости планет на их орбитах возрастают или уменьшаются, когда планеты двигаются ближе к Солнцу или дальше от него. Позднее он открыл третий закон, который управляет отношениями скоростей планет.

Эти законы отметили некоторый глубокий факт унификации солнечной системы, поскольку законы применимы ко всем планетам. Награда заключалась в том, что впервые мы имели теорию, которая могла делать предсказания. Предположим, открыта новая планета. Можем ли мы предсказать, какой будет ее орбита? До Кеплера никто бы не смог. Но, имея законы Кеплера, все, что нам нужно, это два наблюдения положения планеты, и мы сможем предсказать ее орбиту.

Эти открытия вымостили дорогу Ньютону. Великим прозрением Ньютона было увидеть, что сила, которую Солнце оказывает на планеты, является той же самой, как и сила гравитации, которая удерживает нас на Земле, и потому объединить физику небес с физикой на Земле.

Конечно, идея силы, испускаемой от Солнца на планеты, была абсурдной для большинства ученых того времени. Они верили, что пространство пустое, там нет носителя, который мог бы переправлять такую силу. Более того, не было никаких видимых ее проявлений – никакой руки, протянувшейся от Солнца до каждой планеты, – а невидимое ничто не может быть реальным.

Все это хорошие уроки для будущих объединителей/унификаторов. Первый в том, что математическая красота может ввести в заблуждение. Простые наблюдения, сделанные на основании данных, часто более важны. Другой урок в том, что корректные унификации имеют следствия для явлений, о которых не подозревали в момент, когда унификация придумывалась, как в случае с применением законов Кеплера к лунам Юпитера. Правильные объединения также поднимают вопросы, которые могут показаться абсурдными в тот момент, но которые приводят к дальнейшим унификациям, как это было с постулатом Кеплера о силе, действующей от Солнца на планеты. Самое важное, мы увидели, что реальная революция часто требует нескольких новых предложений по унификации, идущих вместе, чтобы поддерживать друг друга. В революции Ньютона было несколько предложенных унификаций, которые одновременно одержали триумф: объединение Земли с планетами, объединение Солнца со звездами, объединение покоя и равномерного движения и объединение гравитационной силы на Земле с силой, путем которой Солнце влияет на движение планет. Проще говоря, ни одна из этих идей не могла бы уцелеть, но вместе они побили своих противников. В результате получилась революция, которая трансформировала каждый аспект нашего понимания природы.

В истории физики была одна унификация, которая больше других может служить моделью того, что физики пытаются сделать в последние тридцать лет. Это объединение электричества и магнетизма, полученное Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860е. Максвелл использовал мощную идею, именуемую полем, которая была придумана британским физиком Майклом Фарадеем в 1840е, чтобы объяснить, как сила может передаваться через пустое пространство от одного тела к другому. Идея в том, что поле есть величина, подобная числу, которое живет в каждой точке пространства. Когда вы движетесь сквозь пространство, величина поля изменяется непрерывно. Величина поля в каждой точке также эволюционирует во времени. Теория дает нам законы, которые говорят, как поле изменяется, когда мы движемся в пространстве и через время. Эти законы говорят нам, что величина поля в отдельной точке также подвержена влиянию поля в соседних точках. Поле в точке может также подвергаться влиянию материального тела в той же точке. Таким образом, поле может переносить силу от одного тела к другому. Тут не требуется верить в призрачное действие на расстоянии.

Одно из полей, которые изучал Фарадей, было электрическое поле. Это не число, но вектор, который мы можем изобразить как стрелку и который может изменять свою длину и направление. Представим такую стрелку в каждой точке пространства. Представим, что концы стрелок в близких точках соединены друг с другом резиновыми лентами. Если я потяну за одну, лента потянет и соседнюю. Стрелки также подвергаются влиянию электрических зарядов. Эффект влияния в том, что стрелки упорядочиваются так, что они подходят к близлежащим отрицательным зарядам и отходят от близлежащих положительных зарядов.

Фарадей также изучал магнетизм. Он ввел другое поле, другую коллекцию стрелок, которые он назвал магнитным полем; эти стрелки предпочитают указывать на полюса магнитов (см. Рис.2).

Фарадей записал простые законы для описания того, как стрелки электрического и магнитного полей изменяются под действием близких зарядов и магнитных полюсов, а также под действием стрелок близких полей. Он и другие проверили законы и нашли, что они дают предсказания, которые согласуются с экспериментом.

Среди открытий того времени было явление, которое смешивало электрические и магнитные эффекты. Например, движущийся по кругу заряд возбуждает магнитные поля. Максвелл осознал, что эти открытия указывают на объединение электричества и магнетизма. Чтобы полностью объединить их, он изменил уравнения. Когда он сделал это, просто добавив один член, его объединение стало объединением со следствиями.

Новые уравнения позволили электрическому и магнитному полям переходить друг в друга. Эти преобразования вызывают волны меняющихся рисунков, в которых первый есть электрическое поле, а затем магнитное поле, и которые двигаются через пространство. Такие движущиеся рисунки могут, среди других вещей, колебать электрический заряд назад и вперед. Надвигающиеся волны могут переносить энергию из одного места в другое. Самая ошеломляющая вещь была в том, что Максвелл смог рассчитать скорость этих волн из своей теории, и нашел, что она такая же, как скорость света. Далее это принесло ему успех. Волны, проходящие через электрические и магнитные поля, есть свет. Максвелл не намеревался создать теорию света, он намеревался объединить электричество и магнетизм. Но, сделав это, он достиг кое-чего большего. Это пример того, как хорошая унификация будет иметь неожиданные следствия как для теории, так и для эксперимента.

Новые предсказания немедленно последовали. Максвелл осознал, что электромагнитные волны должны быть на всех частотах, а не только на частотах видимого света, и это приводит к открытию радио, инфракрасного света, ультрафиолетового света и так далее. Это иллюстрирует другой исторический урок: Когда кто-то предлагает правильную новую унификацию, следствия становятся очевидны очень быстро. Многие из этих явлений наблюдались в первые годы после того, как Максвелл опубликовал свою теорию.

Это заостряет вопрос, который станет важным, когда мы будем обсуждать другие предложения по унификации. Все унификации имеют следствия, поскольку они приводят к явлениям, которые возникают из-за того, что унифицированные вещи могут трансформироваться друг в друга. В хороших случаях эти новые явления вскоре наблюдаются – изобретатели имеют все основания прославить унификацию. Но мы увидим, что в других случаях предсказанные явления уже находятся в конфликте с наблюдениями. При таких несчастливых событиях сторонники или отказываются от своей теории, или ограничивают ее неестественным образом так, чтобы скрыть следствия унификации.

Но даже при всем триумфе объединение Максвеллом электричества и магнетизма столкнулось с труднопреодолимым препятствием. В середине девятнадцатого века большинство физиков верили, что физика была объединена потому, что все сущее было сделано из материи (или содержало материю, чтобы удовлетворить законам Ньютона). Для этих "механицистов" идею поля, просто колеблющегося в пространстве, было тяжело переварить. Теория Максвелла для них не имела смысла без некоторого материала, чье изгибание и растяжение должны были бы составить правильную реальность за электрическим и магнитным полями. Некоторый материал должен был бы колыхаться, когда волна света путешествует от цветка к глазу.

Фарадей и Максвелл сами были механицистами, и они посвятили много времени и волнений, чтобы рассмотреть эту проблему. Они были не одиноки, юный джентльмен тех времен делал хорошую карьеру в обновленных учреждениях, придумывая улучшение конструкций микроскопической оснастки, шкивов и ремней, чтобы они подразумевали лежащие в основе уравнения Максвелла. Тому, кто смог бы решить запутанные уравнения, были обещаны призы.

Имелось большое и очевидное проявление проблемы, которая заключалась в том, что свет путешествует до нас от Солнца и звезд, а внешнее пространство пусто и свободно от любой материи. Если бы в пространстве была любая материя, она замедляла бы движение планет, которые по этой причине давно бы упали на Солнце. Но как могут электрическое и магнитное поля находиться в вакууме?

Так механицисты придумали новую форму материи – эфир – и заполнили им пространство. Эфир имел парадоксальные свойства: он должен был быть экстремально плотным и неэластичным, чтобы свет был, по существу, звуковой волной через него. Гигантское отношение скорости света к скорости звука было бы следствием невообразимой плотности эфира. В то же время, эфир предполагался абсолютно не противодействующим прохождению через него обычной материи. Это тяжелее устроить, чем это выглядит. Можно просто сказать, что эфир и обычная материя не взаимодействуют друг с другом, – это означает, что они не оказывают друг на друга никакого силового воздействия. Но тогда почему обычная материя должна замечать свет – или электрические и магнитные поля, – если они являются просто искажениями в эфире? Не удивительно, что тому, кто умело это все обрабатывал, давали профессорство.

Могла ли быть более прекрасная унификация, чем теория эфира? Объединялись не только свет, электричество и магнетизм, эта унификация была их объединением с материей.

Однако, в то время, когда разрабатывалась теория эфира, концепция физиков по поводу материи также подвергалась изменениям. В начале девятнадцатого столетия большинство физиков думали о материи как о непрерывной, но позднее в том же веке был открыт электрон и идея, что материя состоит из атомов, была принята более серьезно – по меньшей мере, некоторыми физиками. Но это вызвало новый вопрос: что такое атомы и электроны в мире, сделанном из эфира?

Картина линий поля подобна линиям магнитного поля, следующих из северного полюса магнита к его южному полюсу. Линии поля никогда не могут закончиться, кроме их окончания на полюсе магнита, это один из законов Максвелла. Но они могут замыкаться в круги, и такие круги могут завязываться в узлы. Так что, возможно, атомы есть узлы в магнитных силовых линиях.

Но, как знает любой моряк, имеются разные способы завязать узел. Может быть, это хорошо, поскольку есть разные виды атомов. В 1876 лорд Кельвин предположил, что различные атомы могли бы соответствовать различным узлам.

Это может показаться абсурдным, но повторим, что в то время мы очень мало знали об атомах. Мы ничего не знали о ядре и никогда не слышали о протонах или нейтронах. Так что это было не так уж сумасшедшим, как может показаться.

В то время мы также очень мало знали об узлах. Никто не знал, сколько способов имеется, чтобы связать узел, или как отличить его. Так что, с подачи этой идеи математики начали изучение проблемы, как различить различные возможные узлы. Это медленно переросло в целый раздел математики, именуемый теория узлов. Вскоре было доказано, что имеется бесконечное количество различных способов завязать узел, но потребовалось долгое время, чтобы изучить, как отличить его. Некоторый прогресс был сделан в 1980е, но до сих пор никто не знает процедуры, как отличить, являются ли два сложных узла одинаковыми или различными.

Заметим, как хорошая идея по унификации, даже если она оказалась ошибочной, может инспирировать новое направление исследований. Мы должны иметь в виду, однако, что только тот факт, что объединяющая теория плодотворна для математики, не означает, что физическая теория корректна. С другой стороны, успех теории узлов потребовался бы нам, если бы мы все еще верили, что атомы есть узлы в магнитном поле.

Имелась и дальнейшая проблема: теория Максвелла вступила в противоречие с принципом относительности из ньютоновской физики. Оказалась, что через проведение различных экспериментов, включая измерение скорости света, наблюдатели выяснили, что об электромагнитном поле можно было бы сказать, движется оно или нет.

Здесь конфликт между двумя унификациями, обе из которых являются центральными в ньютоновской физике: унификация всего как материи, подчиняющейся законам Ньютона, против унификации движения и покоя. Для многих физиков ответ был очевиден: идея материальной вселенной была более важна, чем, возможно, второстепенный факт, что тяжело регистрировать движение. Но несколько физиков определили принцип относительности как более важный. Одним из них был юный студент, обучавшийся в Цюрихе, по имени Альберт Эйнштейн. Он размышлял над загадкой около десяти лет, начав в возрасте 16 лет, и, наконец, в 1905 осознал, что ответ требует полного пересмотра наших представлений о пространстве и времени.

Эйнштейн решил загадку, сыграв в тот же самый великий трюк, в который исходно играли Галилей и Ньютон, чтобы установить относительность движения. Он осознал, что различие между электрическими и магнитными эффектами зависит от движения наблюдателя. Так что унификация Максвелла оказалась глубже, чем даже подозревал сам Максвелл. Электрическое и магнитное поля не только были различными аспектами одного явления, но и различные наблюдатели проводили бы это различие по-разному; это означает, что один наблюдатель может объяснять некоторое явление в терминах электричества, в то время как другой наблюдатель, движущийся относительно первого, мог бы объяснить то же самое явление в терминах магнетизма. Но оба согласятся по поводу того, что происходит. Так родилась специальная теория относительности (СТО) Эйнштейна как объединение галилеевской унификации покоя и движения с максвелловской унификацией электричества и магнетизма.

Из этого многое следует. Одно следствие в том, что свет должен иметь универсальную скорость, независимую от движения наблюдателя. Другое в том, что должна иметь место унификация пространства и времени. Ранее имелось явное различие: время было универсальным, и каждый согласился бы с тем, что понимается под одновременным происхождением двух событий. Эйнштейн показал, что наблюдатели, двигающиеся по отношению друг другу, будут не согласны с тем, произошли ли два события в разных местах в одно и то же время или нет. Это объединение подразумевалось в его статье 1905 года, озаглавленной "К электродинамике движущихся тел", и было установлено явно в 1907 одним из его учителей, Германом Минковским.

Итак, тут мы опять имеем историю двух соревнующихся попыток унификации. Механицисты имели прекрасную идею, которая объединит физику: все сущее есть материя. Эйнштейн поверил в другой вид объединения: в унификацию движения и покоя. Чтобы поддержать это, он придумал еще более глубокую унификацию – пространства и времени. В каждом случае нечто, что раньше мыслилось как абсолютно различное, становилось различным только относительно движения наблюдателя.

В самом конце конфликт между двумя предложениями унификации был урегулирован экспериментом. Если вы верили механицистам, вы поверили бы, что наблюдатель мог бы измерить свою скорость через эфир. Если вы верили Эйнштейну, вы знали бы, что этого не могло быть, так как все наблюдатели эквивалентны.

Несколько попыток обнаружить движение Земли через эфир были сделаны перед 1905, когда Эйнштейн предложил СТО, и они провалились.[1] Защитники теории эфира все корректировали свои предсказания так, чтобы сделать тяжелее и тяжелее обнаружение движения Земли через эфир. Это было легко сделать, поскольку, когда они проводили свои расчеты, они использовали теорию Максвелла, которая, когда она корректно интерпретируется, согласуется с ожиданиями Эйнштейна, что эфирное движение не детектируемо. Это означает, что механицисты уже имели правильные уравнения, они только имели неправильные интерпретации.

Что касается самого Эйнштейна, неясно, насколько он был осведомлен о ранних экспериментах, но они не могли иметь для него значения, поскольку он уже убедился, что эфирное движение Земли не детектируемо. Эйнштейну, фактически, оставалось только взяться за дело. Как мы увидим в следующей главе, его унификация пространства и времени была подвергнута углубленному рассмотрению. Со временем большинство физиков согласились с ним и признали СТО, при этом сам Эйнштейн уже ушел далеко за ее пределы.