Нет теории, которая была бы слишком красивой, чтобы быть неправильной, если она не согласуется с экспериментом.
История физики наполнена великими идеями, о которых вы слышали, такими как Стандартная модель, Большой взрыв, Общая теория относительности и так далее. Но он также наполнен блестящими идеями, о которых вы, вероятно, не слышали, такими как модель Саката, теория Technicolor, модель устойчивого состояния. и плазменная космология. Сегодня у нас есть очень модные теории, но без каких-либо доказательств: суперсимметрия, великое объединение, теория струн и мультивселенная.
Из-за того, как структурирована область, погрязшая в подхалимстве идей, карьера в теоретической физике высоких энергий, которая фокусируется на этих темах, часто оказывается успешной. С другой стороны, выбор других тем означает работу в одиночку. Идея «красоты» или «естественности» долгое время была руководящим принципом в физике и привела нас к этому пункту. В своей новой книге «Потерянные в математике» Сабина Хоссенфельдер убедительно доказывает, что продолжение соблюдения этого принципа - именно то, что вводит нас в заблуждение.
Представьте, что вам дали гипотетическую задачу выбрать двух миллиардеров из списка и оценить разницу в их собственном капитале. Представьте, что они анонимны, и вы не будете знать, кто из них стоит больше, какое место они занимают в списке миллиардеров Forbes или сколько на самом деле стоит каждый из них на данный момент.
Мы можем назвать первый A, второй B, а разницу между ними C, где A - B=C. Даже без каких-либо других знаний о них, есть одна важная вещь, которую вы можете сказать о C: очень маловероятно, что он будет намного, намного меньше, чем A или B. Другими словами, если A и B оцениваются в миллиарды долларов, то вполне вероятно, что C тоже будет исчисляться миллиардами или, по крайней мере, сотнями миллионов.
Например, A может быть Пэт Страйкер (703 в списке) стоимостью, скажем, 3 592 327 960 долларов. А B может быть Дэвид Геффен (190) стоимостью 8 долларов., 467, 103, 235. Разница между ними, или A - B, тогда составляет -4 874 775 275 долларов. C имеет шанс 50/50 быть положительным или отрицательным, но в большинстве случаев это будет того же порядка величины (с точностью до 10 или около того) как A, так и B.
Но так будет не всегда. Например, состояние большинства из более чем 2200 миллиардеров в мире составляет менее 2 миллиардов долларов, а сотни из них имеют состояние от 1 до 1,2 миллиарда долларов. Если вам случится выбрать двух из них наугад, вас не сильно удивит, если разница в их собственном капитале составит всего несколько десятков миллионов долларов.
Однако вас может удивить, если разница между ними составит всего несколько тысяч долларов или будет равна нулю. «Как маловероятно», - подумаете вы. Но, в конце концов, это не так уж и маловероятно.
В конце концов, вы же не знаете, какие миллиардеры были в вашем списке. Вы были бы шокированы, узнав, что близнецы Уинклвосс - Кэмерон и Тайлер, первые биткойн-миллиардеры - имели одинаковый собственный капитал? Или что братья Коллисон, Патрик и Джон (соучредители Stripe), стоили столько же с точностью до нескольких сотен долларов?
Нет. В этом нет ничего удивительного, и это раскрывает истину о больших числах: в общем случае, если A велико и B велико, то A - B также будут большими… но этого не будет, если есть какая-то причина, по которой A и B находятся очень близко друг к другу. Видите ли, распределение миллиардеров не является полностью случайным, и поэтому может быть какая-то основная причина, по которой эти два, казалось бы, не связанных между собой явления на самом деле связаны.(В случае с Коллисонами или Уинклвоссами, буквально!)
Это же свойство верно и в физике. Электрон, самая легкая частица, из которой состоят атомы, которые мы находим на Земле, более чем в 300 000 раз менее массивен, чем топ-кварк, самая тяжелая частица Стандартной модели. Нейтрино как минимум в четыре миллиона раз легче электрона, а планковская масса - так называемая «естественная» шкала энергии для Вселенной - примерно в 10¹⁷ (или 100, 000, 000, 000, 000, 000) раз тяжелее чем топ-кварк.
Если бы вы не знали какой-либо основной причины, почему эти массы должны быть такими разными, вы бы предположили, что для этого есть какая-то причина. И, возможно, есть один. Этот тип мышления известен как аргумент «тонкой настройки» или «естественности». В своей простейшей форме он утверждает, что должно быть какое-то физическое объяснение того, почему компоненты Вселенной с очень разными свойствами должны иметь такие различия между собой.
В 20 веке физики очень эффективно использовали аргументы естественности. Один из способов объяснить большие различия в масштабах - ввести симметрию при высоких энергиях, а затем изучить последствия ее нарушения при более низких энергиях. Из этих рассуждений возник ряд замечательных идей, особенно в области физики элементарных частиц. Калибровочные бозоны в электрослабом взаимодействии возникли из этого направления мысли, как и механизм Хиггса и, как было подтверждено всего несколько лет назад, бозон Хиггса. Вся Стандартная модель была построена на этих типах симметрии и аргументах естественности, и природа согласилась с нашими лучшими теориями.
Другим большим успехом стала космическая инфляция. Вселенная должна была быть в значительной степени тонко настроена на ранних стадиях, чтобы создать Вселенную, которую мы видим сегодня. Баланс между скоростью расширения, искривлением пространства и количеством материи и энергии внутри него должен был быть экстраординарным; это выглядит неестественно. Космическая инфляция была предложенным механизмом для ее объяснения, и с тех пор многие ее предсказания подтвердились, например:
- почти масштабно-инвариантный спектр флуктуаций,
- наличие надгоризонтальных переуплотнений и недоуплотнений,
- с дефектами плотности, которые имеют адиабатический характер,
- и верхний предел температуры, достигнутой в ранней Вселенной после Большого Взрыва.
Но, несмотря на успех этих аргументов в пользу естественности, они не всегда приносят плоды.
В сильных распадах присутствует неестественно малое количество СР-нарушения. Предложенное решение (новая симметрия, известная как симметрия Печчеи-Куинна) не подтвердило ни одного из своих новых предсказаний. Разница в масштабе массы между самой тяжелой частицей и масштабом Планка (проблема иерархии) была мотивом для суперсимметрии; опять же, ни один из его прогнозов не подтвердился. Неестественность Стандартной модели привела к новым симметриям в форме Великого объединения и, совсем недавно, к Теории струн, предсказания которых (опять же) не подтвердились. А неестественно низкое, но не нулевое значение космологической постоянной привело к предсказаниям определенного типа мультивселенной, которые невозможно даже проверить. Это тоже, конечно, не подтверждено.
Тем не менее, в отличие от прошлого, эти тупики продолжают представлять области, в которых ведущие теоретики и экспериментаторы собираются для исследований. Эти тупики, которые не принесли плодов буквально двум поколениям физиков, продолжают привлекать финансирование и внимание, несмотря на то, что, возможно, полностью оторваны от реальности. В своей новой книге «Затерянные в математике» Сабина Хоссенфельдер ловко противостоит этому кризису, беря интервью у ведущих ученых, лауреатов Нобелевской премии и (не сумасшедших) противников. Вы можете почувствовать ее разочарование, а также отчаяние многих людей, с которыми она разговаривает. Книга отвечает на вопрос: «Позволили ли мы принятию желаемого за действительное о том, какие секреты хранит природа, омрачить наши суждения?» с громким «да!»
Эта книга - дикое, глубокое, наводящее на размышления чтение, которое заставило бы усомниться в себе любого разумного человека в этой области, все еще способного к самоанализу. Никому не нравится сталкиваться с возможностью потратить свою жизнь впустую в погоне за иллюзорной идеей, но в этом вся суть теоретика. Вы видите несколько кусочков незавершенной головоломки и догадываетесь, какова на самом деле полная картина; в большинстве случаев вы ошибаетесь. Возможно, в этих случаях все наши догадки оказались ошибочными. В моем любимом диалоге она берет интервью у Стивена Вайнберга, который, опираясь на свой обширный опыт в физике, объясняет, почему аргументы естественности являются хорошим руководством для физиков-теоретиков. Но ему удается убедить нас только в том, что это были хорошие идеи для тех классов проблем, которые они ранее успешно решали. Нет никакой гарантии, что они будут хорошим ориентиром для текущих проблем; на самом деле их явно не было.
Если вы физик-теоретик, специалист по теории струн или феноменолог - особенно если вы страдаете когнитивным диссонансом - вам эта книга не понравится. Если вы искренне верите в естественность как в путеводную звезду теоретической физики, эта книга вызовет у вас огромное раздражение. Но если вы из тех, кто не боится задать важный вопрос «а все ли мы делаем неправильно?», ответ может быть громким и неудобным «да». Те из нас, кто является интеллектуально честными физиками, живут с этим дискомфортом уже много десятилетий. В книге Сабин «Затерянные в математике» этот дискомфорт теперь доступен всем нам.
- Полное раскрытие информации: Итан Сигел бесплатно получил рецензию на книгу «Затерянные в математике».