Страница:
Открытие, из-за которого физики с самого начала проявили интерес к этой теории, состояло в том, что она решает внутреннюю концептуальную проблему физики частиц – проблему бесконечностей в теории слабых ядерных сил. Ни в 1971, ни в 1972 г. не было ни малейших экспериментальных свидетельств, что эта теория лучше старой теории Ферми.
Затем начали накапливаться и экспериментальные подтверждения. Обмен частицей Z должен был породить новый тип слабых ядерных сил, получивших название слабых нейтральных токов, которые должны были проявиться при рассеянии пучков нейтрино на ядрах обычных атомов. (Термин «нейтральный ток» используется потому, что в этих процессах не происходит обмена электрическим зарядом между ядром и другими частицами.) Эксперименты по обнаружению таких процессов рассеяния нейтрино были подготовлены в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных исследований) и в лаборатории им. Ферми (Фермилабе) под Чикаго. Требовались значительные финансовые вложения. Каждый эксперимент требовал для своего осуществления труда тридцати–сорока физиков. Подобные опыты не делаются так запросто, если у вас нет ясного понимания того, что вы собираетесь обнаружить. В 1973 г. в ЦЕРНе объявили об открытии слабых нейтральных токов. Вскоре об этом же объявили в Фермилабе. После 1974 г., когда в Фермилабе и ЦЕРНе пришли к согласию относительно результатов экспериментов, научное сообщество пришло к убеждению в справедливости электрослабой теории. Шведская газета Дагенс Нюхетер даже объявила в 1975 г., что Салам и я должны получить в этом году Нобелевскую премию по физике (на самом деле этого не случилось).
Кто-то может спросить, почему признание электрослабой теории было столь быстрым и всеобъемлющим. Конечно, сыграло роль то, что слабые нейтральные токи были предсказаны и затем обнаружены. Разве не это есть тот способ, с помощью которого и устанавливается справедливость какой-то теории? Думаю, что все не так просто.
Прежде всего, нейтральные токи не были чем-то совершенно новым для теории слабых сил. Как-то мне удалось проследить развитие идеи нейтральных токов назад во времени до статьи Георгия Гамова и Эдварда Теллера, которые с помощью вполне разумных доводов предсказали в 1937 г. существование слабых нейтральных токов. Более того, еще в 1960-е гг. имелись экспериментальные свидетельства нейтральных токов, но в них никто не верил: сами экспериментаторы, обнаружившие эти свидетельства, всегда относились к ним, как к «фону». То новое, что появилось в 1973 г. и было очень важно для экспериментаторов, это предсказание, что значения интенсивности нейтральных токов находятся в определенном интервале. Например, в одном типе нейтринных реакций вклад нейтральных токов мог составлять от 15 до 25 % от вклада обычных слабых сил. Такое предсказание позволяло определить чувствительность, необходимую при экспериментальном поиске таких сил. И все же перелом, произошедший в 1973 г., был связан с тем, что теория приобрела несомненные черты внутренней согласованности и жесткости. Это заставило физиков признать, что прогресс в их собственной научной работе связан с признанием правильности теории, а не в ожидании того, что из всего этого получится.
В определенном смысле электрослабая теория получила экспериментальную поддержку до открытия нейтральных токов, так как она правильно воспроизвела все свойства слабых сил, ранее объясненные теорией Ферми, равно как и все свойства электромагнитных сил, которые успешно описывала квантовая электродинамика. Здесь вновь, как и в случае с общей теорией относительности, можно спросить, почему воспроизведение результатов, уже полученных более ранними теориями, рассматривается как успех? Теория Ферми объяснила свойства слабых сил с помощью некоторого числа произвольных гипотез, произвольных в том же смысле, что и закон обратных квадратов для ньютоновской теории тяготения. Электрослабая теория объяснила эти гипотезы (например, зависимость слабых сил от спинов участвующих во взаимодействии частиц) значительно более неотразимым образом. Но в такого рода оценках невозможно быть точным: это дело вкуса и опыта.
Неожиданно в 1976 г., через три года после открытия нейтральных токов, возник кризис. Уже не было никаких сомнений относительно существования нейтральных токов, но эксперименты, проделанные в 1976 г., указывали, что некоторые их свойства не соответствуют предсказаниям теории. Отклонения проявились в экспериментах, выполненных независимо в Сиэттле и Оксфорде и связанных с изучением распространения поляризованного света сквозь пары висмута. Еще со времени работы Жана-Батиста Био в 1815 г. было известно, что поляризованный свет, проходя через растворы некоторых сахаров, испытывает вращение плоскости поляризации либо в правую, либо в левую сторону. Например, при прохождении через раствор обычного сахара глюкозы-R, плоскость поляризации света поворачивается направо, а при прохождении через раствор глюкозы-L – налево. Происходит это потому, что молекула глюкозы-R не совпадает со своим зеркальным отражением, молекулой глюкозы-L, точно так же, как перчатка на левую руку отличается от перчатки на правую руку (в то же время шляпа или галстук и их зеркальные отражения выглядят одинаково). Казалось бы, при прохождении поляризованного света через газ, состоящий из отдельных атомов веществ типа висмута, не должно происходить такого вращения плоскости поляризации. Однако электрослабая теория предсказывает асимметрию между правым и левым в слабых взаимодействиях электронов с атомными ядрами, обусловленных обменом Z-частицей, что придает таким атомам свойства, похожие на свойства перчатки или молекулы сахара при отражении в зеркале. (Ожидалось, что эффект будет особенно велик для атомов висмута из-за специфики строения их энергетических уровней.) Расчеты показывали, что лево-правая асимметрия в атоме висмута должна приводить к медленному вращению плоскости поляризации проходящего через пары висмута света в левую сторону. К своему удивлению, экспериментаторы в Оксфорде и Сиэттле не смогли обнаружить такое вращение и сообщили, что если оно и существует, то скорость вращения должна быть намного меньше, чем предсказывает теория.
Это поистине напоминало взрыв бомбы. Казалось, что эксперименты свидетельствовали, что та конкретная версия теории, которую независимо разработали в 1967–1968 гг. Салам и я, оказалась неверной в деталях. Но я не был готов отказаться от общих идей электрослабой теории. Еще начиная с появления работы ’т Хофта в 1971 г., я был совершенно убежден в правильности основных положений теории, а ту версию, которую построили Салам и я, рассматривал как одну из конкретных простых реализаций. Например, могли быть и другие члены в семействе частиц, образованном фотоном и частицами W и Z, или другие частицы, связанные с электроном и нейтрино. Еще задолго до этой истории Пьер Дюгем и У. ван Куин отмечали, что никакая научная теория не может быть полностью отвергнута сравнением с экспериментальными данными, так как всегда есть возможность таких манипуляций с теорией или введения таких дополнительных предположений, которые приведут к согласию теории и эксперимента. Просто в какой-то момент исследователь должен решить, не являются ли те дополнения, которые необходимо ввести, чтобы избежать конфликта с опытом, слишком уродливыми, чтобы в них можно было поверить.
Действительно, после экспериментов в Сиэттле и Оксфорде многие теоретики стали пытаться придумать небольшие модификации электрослабой теории, которые объясняли бы, почему силы, порождаемые нейтральными токами, не приводят к ожидаемой величине асимметрии между правым и левым. Поначалу мы думали, что можно чуть-чуть изуродовать теорию, но при этом добиться согласия со всеми имеющимися данными. Вспоминаю, что как раз в это время Бен Ли прилетел в Пало Альто, где я тогда работал, и я отменил давно запланированную поездку в Иосемиту, чтобы поработать с ним и попытаться модифицировать электрослабую теорию таким образом, чтобы удовлетворить всем экспериментальным данным (в том числе и снять некоторые разногласия между теорией в данными по реакциям с нейтрино высоких энергий). Но ничто, похоже, не помогало.
Одна из проблем заключалась в том, что к этому времени уже имелось большое количество данных, полученных в ЦЕРНе и Фермилабе, относительно рассеяния нейтрино при соударении с протонами и нейтронами, причем практически все они подтверждали первоначальную версию электрослабой теории. Было очень трудно понять, каким образом какая-то другая теория могла бы так же естественно согласовываться с этими данными, заодно согласуясь и с данными по висмуту, т.е. как можно было избежать сильных усложнений, специально подогнанных так, чтобы согласовать теорию с данными всех экспериментов. Чуть позже в Гарварде Говард Джорджи и я высказали общие аргументы в пользу того, что не существует естественного способа так изменить электрослабую теорию, чтобы она согласовывалась и с данными Оксфорда и Сиэттла, и с более ранними данными по нейтринным реакциям. Конечно, это не остановило некоторых теоретиков от попыток построить весьма неестественные теории (такую деятельность в бостонских научных кругах называли половым извращением), что соответствовало древнейшему закону прогресса в науке, согласно которому лучше делать что-нибудь, чем ничего не делать.
Затем в 1978 г. в Стэнфорде был проделан новый эксперимент, в котором слабая сила между электроном и атомным ядром измерялась совершенно иначе, используя не электроны в атомах висмута, а рассеивание пучка электронов больших энергий, полученных на Стэнфордском ускорителе на ядрах дейтерия. (Выбор дейтерия в качестве мишени был вызван не какими-то особыми причинами, а просто тем, что это удобный источник и протонов, и нейтронов.) Теперь уже экспериментаторы обнаружили ожидаемую асимметрию между правым и левым. В этом опыте асимметрия проявлялась в разнице скорости рассеяния электронов, вращающихся направо и налево. (Мы говорим, что движущаяся частица вращается направо или налево, если сжатые в кулак пальцы на, соответственно, правой или на левой руке показывают направление вращения, в то время как большой палец направлен в сторону движения частицы.) Измеренная относительная разница в скоростях рассеяния составляла одну десятитысячную, что как раз совпадало с предсказанием теории.
Внезапно физики, занимающиеся частицами, во всем мире пришли к выводу, что первоначальная версия электрослабой теории, несмотря ни на что, верна. Но заметьте, что все еще были два экспериментальных результата, которые противоречили предсказаниям теории относительно величины слабого взаимодействия нейтральных токов между электроном и ядром, и лишь один эксперимент, подтверждавший эти предсказания, правда в несколько ином контексте. Почему же тогда, как только появился эксперимент, подтверждавший электрослабую теорию, все физики согласились с тем, что теория должна быть верна? Безусловно, одна из причин заключалась в том, что мы все были убеждены, что не хотим иметь дело с любой неестественной версией первоначальной электрослабой теории. Эстетический критерий естественности был использован для того, чтобы помочь физикам оценить значимость противоречащих друг другу экспериментальных данных.
Экспериментальная проверка электрослабой теории продолжалась. Эксперимент в Стэнфорде не был повторен, но несколько научных групп физиков-атомщиков занялись поиском лево-правой асимметрии не только у висмута, но и у других атомов вроде таллия и цезия. (Еще до стэнфордского эксперимента группа физиков из Новосибирска сообщила о наблюдении ожидавшейся асимметрии в висмуте, но, к сожалению, мало кто обратил внимание на это сообщение до появления результатов в Стэнфорде, отчасти из-за не очень высокой репутации на Западе советских физиков в отношении точности экспериментов.) Были проделаны новые эксперименты в Беркли и Париже, физики Сиэттла и Оксфорда повторили свои опыты[94] Сейчас существует полное согласие между всеми экспериментаторами, как и между теоретиками, что предсказываемая лево-правая асимметрия действительно имеет место как в атомах, так и при рассеянии электронов больших энергий на Стэнфордском ускорителе, причем величина эффекта соответствует ожидаемой. Но наиболее впечатляющим тестом электрослабой теории безусловно были опыты группы в ЦЕРНе, возглавлявшейся Карло Руббиа. В 1983 г. они открыли частицы W, в 1984 г. – частицы Z, т.e. те частицы, существование и свойства которых были правильно предсказаны электрослабой теорией в ее первоначальной версии.
Оглядываясь назад на эти события, я испытываю некоторое разочарование, что потратил столько времени, пытаясь заставить электрослабую теорию согласовываться с данными Оксфорда и Сиэттла. В 1977 г. надо было мне поехать в Иосемиту, как я и собирался; кстати, я так там и не побывал до сих пор. Вся эта история хорошо иллюстрирует полушутливое замечание, приписываемое Эддингтону: не следует верить ни одному экспериментальному результату пока он не подтвержден теорией.
Я совсем не хочу создавать у читателей впечатления, что эксперимент и теория всегда влияют друг на друга именно так, и что таким способом достигается прогресс в науке. Подчеркивая важность теории, я хочу лишь возразить широко распространенной точке зрения, которая кажется мне чрезмерно эмпирической. На самом деле можно вспомнить историю важнейших экспериментов в физике и обнаружить, что их роль была очень разной, точно так же, как очень по-разному взаимодействовали эксперимент и теория. Похоже, что любое ваше высказывание о том, как могут взаимодействовать теория и эксперимент, окажется правильным, а любое утверждение о том, как они должны взаимодействовать, будет, скорее всего, неверным.
Поиск сил, порождаемых нейтральными слабыми токами, в ЦЕРНе и Фермилабе есть пример определенного типа экспериментов, осуществляемых с целью проверки пока что не общепринятых теоретических идей. Иногда такие эксперименты подтверждают, а иногда и опровергают идеи теоретиков. Несколько лет тому назад Фрэнк Вильчек и я независимо предсказали существование частицы нового типа[95]. Мы согласились назвать эту частицу аксион, понятия не имея о том, что так же называется сорт стирального порошка. Экспериментаторы стали искать аксион и не нашли, по крайней мере с теми свойствами, которые мы предсказывали. Идея либо неправильна, либо нуждается в модификации[96]. Однажды я получил сообщение от группы физиков, собравшихся на конференции в Аспене, гласившее: «Мы его нашли!», но это послание было прикреплено к коробке со стиральным порошком.
Но бывают и эксперименты, результаты которых являются для всех полной неожиданностью, которую не предвидел ни один теоретик. К этой категории относятся опыты, в которых были обнаружены рентгеновские лучи, так называемые странные частицы, или, в конце концов, наблюдение аномальной прецессии орбиты Меркурия. Думаю, что именно эти эксперименты наполняют радостью сердца экспериментаторов и журналистов.
Но также есть и эксперименты, являющиеся для нас почти полной неожиданностью, – в них обнаруживаются эффекты, обсуждавшиеся как одна из возможностей, но только как логическая возможность, для реализации которой нет убедительных причин. Сюда относятся эксперименты, обнаружившие нарушение так называемой симметрии по отношению к обращению времени, и эксперименты, обнаружившие некоторые новые частицы вроде b-кварка или похожего на очень тяжелый электрон тау-лептона.
Еще один интересный класс экспериментов – это опыты, в которых обнаруживаются эффекты, предсказанные теоретиками, но само открытие этих эффектов происходит тем не менее совершенно случайно, так как экспериментаторы ничего не знали о предсказании либо потому, что у теоретиков не хватало веры в свою теорию, чтобы разрекламировать ее перед экспериментаторами, либо потому, что каналы научной информации слишком забиты шумом. Среди таких экспериментов – открытие универсального фона радиоизлучения[97], оставшегося от Большого взрыва, и открытие позитрона.
Затем есть эксперименты, которые проводят, даже зная результат, даже несмотря на то, что теоретические предсказания так прочны, что в теории никто серьезно не сомневается. Проводятся такие эксперименты потому что сами явления настолько привлекательны и сулят столько возможностей дальнейших экспериментов, что ученые просто обязаны идти вперед и изучать эти вещи. В эту категорию я бы включил открытие антипротона и нейтрино и сравнительно недавнее открытие частиц W и Z. Сюда же относятся поиски разных экзотических эффектов, предсказываемых общей теорией относительности, вроде гравитационного излучения.
Наконец, можно вообразить категорию экспериментов, которые опровергают давно принятые теории, ставшие частью стандартного физического мировоззрения. Я не могу поместить в эту категорию ни одного опыта за последние сто лет. Конечно, можно привести примеры, когда выяснялось, что теории имеют более узкую область применимости, чем считалось до этого. Ньютоновская теория движения неприменима при больших скоростях. Четность, симметрия между правым и левым, нарушается в слабых взаимодействиях. И так далее. Но в ХХ в. не было такого случая, чтобы теория, принятая мировым физическим сообществом как правильная, вдруг оказывалась просто ошибкой, как это в свое время случилось с птолемеевской теорией эпициклов, придуманной для объяснения движения планет, или с теорией, что теплота есть калорическая жидкость. Однако в ХХ в., как мы видели в случаях общей теории относительности и электрослабой теории, признание физических теорий часто достигалось на основе эстетических суждений, прежде чем появлялись по-настоящему убедительные экспериментальные свидетельства в их пользу. В этом я вижу проявление необычайной мощи чувства прекрасного, свойственного физикам, которое подкрепляет, а иногда даже перевешивает экспериментальные свидетельства.
Судя по тому, что я рассказал, читатель может прийти к выводу, что прогресс в научных открытиях и подтверждение теорий – очень запутанное дело. В связи с этим есть хорошая параллель между военной историей и историей науки. В обоих случаях комментаторы пытаются найти систематические законы того, как максимизировать чьи-то шансы на успех, неважно, идет ли речь о войне или о науке. Возможно, это происходит, потому что в военной истории и истории науки в значительно большей степени, чем в политической, экономической или культурной истории, ясна граница между победой и поражением. Можно бесконечно спорить о причинах и последствиях Гражданской войны в Америке, но нет ни малейших сомнений в том, что при Геттисберге армия Мида разбила армию Ли. Точно так же нет сомнений в том, что точка зрения Коперника на устройство Солнечной системы лучше, чем точка зрения Птолемея, а взгляды Дарвина на эволюцию лучше взглядов Ламарка.
Даже не пытаясь сформулировать, что значит наука войны, военные историки часто пишут о генералах так, будто они проигрывали битвы, потому что не следовали каким-то хорошо известным правилам военной науки[98]. Например, довольно широко распространено пренебрежительное отношение к двум генералам армии конфедератов в Гражданской войне – Джорджу Макклеллану и Амброзу Бернсайду. Макклеллана обвиняют в том, что он не хотел идти на столкновение с вражеской армией Ли в Северной Вирджинии. Бернсайда, в свою очередь, ругают за то, что он ни в грош не ставил жизни своих солдат, безуспешно пытаясь атаковать хорошо укрепленные позиции врага под Фредериксбургом. От внимания читателя не ускользнет, что Макклеллана критикуют за то, что он не действовал как Бернсайд, а Бернсайда – за то, что он не действовал, как Макклеллан. И тот и другой были глубоко бездарными генералами, но не потому, что они не сумели выполнить установленные правила военной науки.
На самом деле лучшие военные историки давно отметили трудности в установлении правил поведения генералов. Речь идет не о военной науке, а скорее о характере военного поведения, которому нельзя научить и которое трудно сформулировать, но которое где-то и когда-то помогает выигрывать битвы. Это называется словами искусство войны[99]. Точно так же я полагаю, что не надо возлагать надежды на науку о науке, на формулировку определенных правил того, как ведут себя или должны вести себя ученые. Я стремлюсь лишь к описанию того типа поведения, который исторически приводил к научному прогрессу. Я рассказываю об искусстве науки.
Глава VI. Красивые теории
В 1974 г. Поль Дирак приехал в Гарвард, чтобы рассказать о своей исторической работе, ставшей одной из основ современной квантовой электродинамики. В конце своего выступления Дирак обратился к старшекурсникам и посоветовал им больше думать о красоте тех уравнений, которые они исследуют, а не об их смысле. Это был не самый лучший совет для студентов, но поиск красоты в физике[100] красной нитью проходит через все работы Дирака, да и вообще составляет важную страницу истории физики.
Небольшой разговор о важности красоты в науке не должен рассматриваться как пустая болтовня. Я совсем не собираюсь использовать эту главу для очередных словоизвержений по поводу красоты вообще. Моя цель – более подробно рассмотреть происхождение красоты физических теорий или вопрос о том, почему наше чувство прекрасного иногда оказывается полезным, а иногда изменяет нам и почему плодотворное использование этого чувства есть знак нашего продвижения к окончательной теории.
Затем начали накапливаться и экспериментальные подтверждения. Обмен частицей Z должен был породить новый тип слабых ядерных сил, получивших название слабых нейтральных токов, которые должны были проявиться при рассеянии пучков нейтрино на ядрах обычных атомов. (Термин «нейтральный ток» используется потому, что в этих процессах не происходит обмена электрическим зарядом между ядром и другими частицами.) Эксперименты по обнаружению таких процессов рассеяния нейтрино были подготовлены в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных исследований) и в лаборатории им. Ферми (Фермилабе) под Чикаго. Требовались значительные финансовые вложения. Каждый эксперимент требовал для своего осуществления труда тридцати–сорока физиков. Подобные опыты не делаются так запросто, если у вас нет ясного понимания того, что вы собираетесь обнаружить. В 1973 г. в ЦЕРНе объявили об открытии слабых нейтральных токов. Вскоре об этом же объявили в Фермилабе. После 1974 г., когда в Фермилабе и ЦЕРНе пришли к согласию относительно результатов экспериментов, научное сообщество пришло к убеждению в справедливости электрослабой теории. Шведская газета Дагенс Нюхетер даже объявила в 1975 г., что Салам и я должны получить в этом году Нобелевскую премию по физике (на самом деле этого не случилось).
Кто-то может спросить, почему признание электрослабой теории было столь быстрым и всеобъемлющим. Конечно, сыграло роль то, что слабые нейтральные токи были предсказаны и затем обнаружены. Разве не это есть тот способ, с помощью которого и устанавливается справедливость какой-то теории? Думаю, что все не так просто.
Прежде всего, нейтральные токи не были чем-то совершенно новым для теории слабых сил. Как-то мне удалось проследить развитие идеи нейтральных токов назад во времени до статьи Георгия Гамова и Эдварда Теллера, которые с помощью вполне разумных доводов предсказали в 1937 г. существование слабых нейтральных токов. Более того, еще в 1960-е гг. имелись экспериментальные свидетельства нейтральных токов, но в них никто не верил: сами экспериментаторы, обнаружившие эти свидетельства, всегда относились к ним, как к «фону». То новое, что появилось в 1973 г. и было очень важно для экспериментаторов, это предсказание, что значения интенсивности нейтральных токов находятся в определенном интервале. Например, в одном типе нейтринных реакций вклад нейтральных токов мог составлять от 15 до 25 % от вклада обычных слабых сил. Такое предсказание позволяло определить чувствительность, необходимую при экспериментальном поиске таких сил. И все же перелом, произошедший в 1973 г., был связан с тем, что теория приобрела несомненные черты внутренней согласованности и жесткости. Это заставило физиков признать, что прогресс в их собственной научной работе связан с признанием правильности теории, а не в ожидании того, что из всего этого получится.
В определенном смысле электрослабая теория получила экспериментальную поддержку до открытия нейтральных токов, так как она правильно воспроизвела все свойства слабых сил, ранее объясненные теорией Ферми, равно как и все свойства электромагнитных сил, которые успешно описывала квантовая электродинамика. Здесь вновь, как и в случае с общей теорией относительности, можно спросить, почему воспроизведение результатов, уже полученных более ранними теориями, рассматривается как успех? Теория Ферми объяснила свойства слабых сил с помощью некоторого числа произвольных гипотез, произвольных в том же смысле, что и закон обратных квадратов для ньютоновской теории тяготения. Электрослабая теория объяснила эти гипотезы (например, зависимость слабых сил от спинов участвующих во взаимодействии частиц) значительно более неотразимым образом. Но в такого рода оценках невозможно быть точным: это дело вкуса и опыта.
Неожиданно в 1976 г., через три года после открытия нейтральных токов, возник кризис. Уже не было никаких сомнений относительно существования нейтральных токов, но эксперименты, проделанные в 1976 г., указывали, что некоторые их свойства не соответствуют предсказаниям теории. Отклонения проявились в экспериментах, выполненных независимо в Сиэттле и Оксфорде и связанных с изучением распространения поляризованного света сквозь пары висмута. Еще со времени работы Жана-Батиста Био в 1815 г. было известно, что поляризованный свет, проходя через растворы некоторых сахаров, испытывает вращение плоскости поляризации либо в правую, либо в левую сторону. Например, при прохождении через раствор обычного сахара глюкозы-R, плоскость поляризации света поворачивается направо, а при прохождении через раствор глюкозы-L – налево. Происходит это потому, что молекула глюкозы-R не совпадает со своим зеркальным отражением, молекулой глюкозы-L, точно так же, как перчатка на левую руку отличается от перчатки на правую руку (в то же время шляпа или галстук и их зеркальные отражения выглядят одинаково). Казалось бы, при прохождении поляризованного света через газ, состоящий из отдельных атомов веществ типа висмута, не должно происходить такого вращения плоскости поляризации. Однако электрослабая теория предсказывает асимметрию между правым и левым в слабых взаимодействиях электронов с атомными ядрами, обусловленных обменом Z-частицей, что придает таким атомам свойства, похожие на свойства перчатки или молекулы сахара при отражении в зеркале. (Ожидалось, что эффект будет особенно велик для атомов висмута из-за специфики строения их энергетических уровней.) Расчеты показывали, что лево-правая асимметрия в атоме висмута должна приводить к медленному вращению плоскости поляризации проходящего через пары висмута света в левую сторону. К своему удивлению, экспериментаторы в Оксфорде и Сиэттле не смогли обнаружить такое вращение и сообщили, что если оно и существует, то скорость вращения должна быть намного меньше, чем предсказывает теория.
Это поистине напоминало взрыв бомбы. Казалось, что эксперименты свидетельствовали, что та конкретная версия теории, которую независимо разработали в 1967–1968 гг. Салам и я, оказалась неверной в деталях. Но я не был готов отказаться от общих идей электрослабой теории. Еще начиная с появления работы ’т Хофта в 1971 г., я был совершенно убежден в правильности основных положений теории, а ту версию, которую построили Салам и я, рассматривал как одну из конкретных простых реализаций. Например, могли быть и другие члены в семействе частиц, образованном фотоном и частицами W и Z, или другие частицы, связанные с электроном и нейтрино. Еще задолго до этой истории Пьер Дюгем и У. ван Куин отмечали, что никакая научная теория не может быть полностью отвергнута сравнением с экспериментальными данными, так как всегда есть возможность таких манипуляций с теорией или введения таких дополнительных предположений, которые приведут к согласию теории и эксперимента. Просто в какой-то момент исследователь должен решить, не являются ли те дополнения, которые необходимо ввести, чтобы избежать конфликта с опытом, слишком уродливыми, чтобы в них можно было поверить.
Действительно, после экспериментов в Сиэттле и Оксфорде многие теоретики стали пытаться придумать небольшие модификации электрослабой теории, которые объясняли бы, почему силы, порождаемые нейтральными токами, не приводят к ожидаемой величине асимметрии между правым и левым. Поначалу мы думали, что можно чуть-чуть изуродовать теорию, но при этом добиться согласия со всеми имеющимися данными. Вспоминаю, что как раз в это время Бен Ли прилетел в Пало Альто, где я тогда работал, и я отменил давно запланированную поездку в Иосемиту, чтобы поработать с ним и попытаться модифицировать электрослабую теорию таким образом, чтобы удовлетворить всем экспериментальным данным (в том числе и снять некоторые разногласия между теорией в данными по реакциям с нейтрино высоких энергий). Но ничто, похоже, не помогало.
Одна из проблем заключалась в том, что к этому времени уже имелось большое количество данных, полученных в ЦЕРНе и Фермилабе, относительно рассеяния нейтрино при соударении с протонами и нейтронами, причем практически все они подтверждали первоначальную версию электрослабой теории. Было очень трудно понять, каким образом какая-то другая теория могла бы так же естественно согласовываться с этими данными, заодно согласуясь и с данными по висмуту, т.е. как можно было избежать сильных усложнений, специально подогнанных так, чтобы согласовать теорию с данными всех экспериментов. Чуть позже в Гарварде Говард Джорджи и я высказали общие аргументы в пользу того, что не существует естественного способа так изменить электрослабую теорию, чтобы она согласовывалась и с данными Оксфорда и Сиэттла, и с более ранними данными по нейтринным реакциям. Конечно, это не остановило некоторых теоретиков от попыток построить весьма неестественные теории (такую деятельность в бостонских научных кругах называли половым извращением), что соответствовало древнейшему закону прогресса в науке, согласно которому лучше делать что-нибудь, чем ничего не делать.
Затем в 1978 г. в Стэнфорде был проделан новый эксперимент, в котором слабая сила между электроном и атомным ядром измерялась совершенно иначе, используя не электроны в атомах висмута, а рассеивание пучка электронов больших энергий, полученных на Стэнфордском ускорителе на ядрах дейтерия. (Выбор дейтерия в качестве мишени был вызван не какими-то особыми причинами, а просто тем, что это удобный источник и протонов, и нейтронов.) Теперь уже экспериментаторы обнаружили ожидаемую асимметрию между правым и левым. В этом опыте асимметрия проявлялась в разнице скорости рассеяния электронов, вращающихся направо и налево. (Мы говорим, что движущаяся частица вращается направо или налево, если сжатые в кулак пальцы на, соответственно, правой или на левой руке показывают направление вращения, в то время как большой палец направлен в сторону движения частицы.) Измеренная относительная разница в скоростях рассеяния составляла одну десятитысячную, что как раз совпадало с предсказанием теории.
Внезапно физики, занимающиеся частицами, во всем мире пришли к выводу, что первоначальная версия электрослабой теории, несмотря ни на что, верна. Но заметьте, что все еще были два экспериментальных результата, которые противоречили предсказаниям теории относительно величины слабого взаимодействия нейтральных токов между электроном и ядром, и лишь один эксперимент, подтверждавший эти предсказания, правда в несколько ином контексте. Почему же тогда, как только появился эксперимент, подтверждавший электрослабую теорию, все физики согласились с тем, что теория должна быть верна? Безусловно, одна из причин заключалась в том, что мы все были убеждены, что не хотим иметь дело с любой неестественной версией первоначальной электрослабой теории. Эстетический критерий естественности был использован для того, чтобы помочь физикам оценить значимость противоречащих друг другу экспериментальных данных.
Экспериментальная проверка электрослабой теории продолжалась. Эксперимент в Стэнфорде не был повторен, но несколько научных групп физиков-атомщиков занялись поиском лево-правой асимметрии не только у висмута, но и у других атомов вроде таллия и цезия. (Еще до стэнфордского эксперимента группа физиков из Новосибирска сообщила о наблюдении ожидавшейся асимметрии в висмуте, но, к сожалению, мало кто обратил внимание на это сообщение до появления результатов в Стэнфорде, отчасти из-за не очень высокой репутации на Западе советских физиков в отношении точности экспериментов.) Были проделаны новые эксперименты в Беркли и Париже, физики Сиэттла и Оксфорда повторили свои опыты[94] Сейчас существует полное согласие между всеми экспериментаторами, как и между теоретиками, что предсказываемая лево-правая асимметрия действительно имеет место как в атомах, так и при рассеянии электронов больших энергий на Стэнфордском ускорителе, причем величина эффекта соответствует ожидаемой. Но наиболее впечатляющим тестом электрослабой теории безусловно были опыты группы в ЦЕРНе, возглавлявшейся Карло Руббиа. В 1983 г. они открыли частицы W, в 1984 г. – частицы Z, т.e. те частицы, существование и свойства которых были правильно предсказаны электрослабой теорией в ее первоначальной версии.
Оглядываясь назад на эти события, я испытываю некоторое разочарование, что потратил столько времени, пытаясь заставить электрослабую теорию согласовываться с данными Оксфорда и Сиэттла. В 1977 г. надо было мне поехать в Иосемиту, как я и собирался; кстати, я так там и не побывал до сих пор. Вся эта история хорошо иллюстрирует полушутливое замечание, приписываемое Эддингтону: не следует верить ни одному экспериментальному результату пока он не подтвержден теорией.
Я совсем не хочу создавать у читателей впечатления, что эксперимент и теория всегда влияют друг на друга именно так, и что таким способом достигается прогресс в науке. Подчеркивая важность теории, я хочу лишь возразить широко распространенной точке зрения, которая кажется мне чрезмерно эмпирической. На самом деле можно вспомнить историю важнейших экспериментов в физике и обнаружить, что их роль была очень разной, точно так же, как очень по-разному взаимодействовали эксперимент и теория. Похоже, что любое ваше высказывание о том, как могут взаимодействовать теория и эксперимент, окажется правильным, а любое утверждение о том, как они должны взаимодействовать, будет, скорее всего, неверным.
Поиск сил, порождаемых нейтральными слабыми токами, в ЦЕРНе и Фермилабе есть пример определенного типа экспериментов, осуществляемых с целью проверки пока что не общепринятых теоретических идей. Иногда такие эксперименты подтверждают, а иногда и опровергают идеи теоретиков. Несколько лет тому назад Фрэнк Вильчек и я независимо предсказали существование частицы нового типа[95]. Мы согласились назвать эту частицу аксион, понятия не имея о том, что так же называется сорт стирального порошка. Экспериментаторы стали искать аксион и не нашли, по крайней мере с теми свойствами, которые мы предсказывали. Идея либо неправильна, либо нуждается в модификации[96]. Однажды я получил сообщение от группы физиков, собравшихся на конференции в Аспене, гласившее: «Мы его нашли!», но это послание было прикреплено к коробке со стиральным порошком.
Но бывают и эксперименты, результаты которых являются для всех полной неожиданностью, которую не предвидел ни один теоретик. К этой категории относятся опыты, в которых были обнаружены рентгеновские лучи, так называемые странные частицы, или, в конце концов, наблюдение аномальной прецессии орбиты Меркурия. Думаю, что именно эти эксперименты наполняют радостью сердца экспериментаторов и журналистов.
Но также есть и эксперименты, являющиеся для нас почти полной неожиданностью, – в них обнаруживаются эффекты, обсуждавшиеся как одна из возможностей, но только как логическая возможность, для реализации которой нет убедительных причин. Сюда относятся эксперименты, обнаружившие нарушение так называемой симметрии по отношению к обращению времени, и эксперименты, обнаружившие некоторые новые частицы вроде b-кварка или похожего на очень тяжелый электрон тау-лептона.
Еще один интересный класс экспериментов – это опыты, в которых обнаруживаются эффекты, предсказанные теоретиками, но само открытие этих эффектов происходит тем не менее совершенно случайно, так как экспериментаторы ничего не знали о предсказании либо потому, что у теоретиков не хватало веры в свою теорию, чтобы разрекламировать ее перед экспериментаторами, либо потому, что каналы научной информации слишком забиты шумом. Среди таких экспериментов – открытие универсального фона радиоизлучения[97], оставшегося от Большого взрыва, и открытие позитрона.
Затем есть эксперименты, которые проводят, даже зная результат, даже несмотря на то, что теоретические предсказания так прочны, что в теории никто серьезно не сомневается. Проводятся такие эксперименты потому что сами явления настолько привлекательны и сулят столько возможностей дальнейших экспериментов, что ученые просто обязаны идти вперед и изучать эти вещи. В эту категорию я бы включил открытие антипротона и нейтрино и сравнительно недавнее открытие частиц W и Z. Сюда же относятся поиски разных экзотических эффектов, предсказываемых общей теорией относительности, вроде гравитационного излучения.
Наконец, можно вообразить категорию экспериментов, которые опровергают давно принятые теории, ставшие частью стандартного физического мировоззрения. Я не могу поместить в эту категорию ни одного опыта за последние сто лет. Конечно, можно привести примеры, когда выяснялось, что теории имеют более узкую область применимости, чем считалось до этого. Ньютоновская теория движения неприменима при больших скоростях. Четность, симметрия между правым и левым, нарушается в слабых взаимодействиях. И так далее. Но в ХХ в. не было такого случая, чтобы теория, принятая мировым физическим сообществом как правильная, вдруг оказывалась просто ошибкой, как это в свое время случилось с птолемеевской теорией эпициклов, придуманной для объяснения движения планет, или с теорией, что теплота есть калорическая жидкость. Однако в ХХ в., как мы видели в случаях общей теории относительности и электрослабой теории, признание физических теорий часто достигалось на основе эстетических суждений, прежде чем появлялись по-настоящему убедительные экспериментальные свидетельства в их пользу. В этом я вижу проявление необычайной мощи чувства прекрасного, свойственного физикам, которое подкрепляет, а иногда даже перевешивает экспериментальные свидетельства.
Судя по тому, что я рассказал, читатель может прийти к выводу, что прогресс в научных открытиях и подтверждение теорий – очень запутанное дело. В связи с этим есть хорошая параллель между военной историей и историей науки. В обоих случаях комментаторы пытаются найти систематические законы того, как максимизировать чьи-то шансы на успех, неважно, идет ли речь о войне или о науке. Возможно, это происходит, потому что в военной истории и истории науки в значительно большей степени, чем в политической, экономической или культурной истории, ясна граница между победой и поражением. Можно бесконечно спорить о причинах и последствиях Гражданской войны в Америке, но нет ни малейших сомнений в том, что при Геттисберге армия Мида разбила армию Ли. Точно так же нет сомнений в том, что точка зрения Коперника на устройство Солнечной системы лучше, чем точка зрения Птолемея, а взгляды Дарвина на эволюцию лучше взглядов Ламарка.
Даже не пытаясь сформулировать, что значит наука войны, военные историки часто пишут о генералах так, будто они проигрывали битвы, потому что не следовали каким-то хорошо известным правилам военной науки[98]. Например, довольно широко распространено пренебрежительное отношение к двум генералам армии конфедератов в Гражданской войне – Джорджу Макклеллану и Амброзу Бернсайду. Макклеллана обвиняют в том, что он не хотел идти на столкновение с вражеской армией Ли в Северной Вирджинии. Бернсайда, в свою очередь, ругают за то, что он ни в грош не ставил жизни своих солдат, безуспешно пытаясь атаковать хорошо укрепленные позиции врага под Фредериксбургом. От внимания читателя не ускользнет, что Макклеллана критикуют за то, что он не действовал как Бернсайд, а Бернсайда – за то, что он не действовал, как Макклеллан. И тот и другой были глубоко бездарными генералами, но не потому, что они не сумели выполнить установленные правила военной науки.
На самом деле лучшие военные историки давно отметили трудности в установлении правил поведения генералов. Речь идет не о военной науке, а скорее о характере военного поведения, которому нельзя научить и которое трудно сформулировать, но которое где-то и когда-то помогает выигрывать битвы. Это называется словами искусство войны[99]. Точно так же я полагаю, что не надо возлагать надежды на науку о науке, на формулировку определенных правил того, как ведут себя или должны вести себя ученые. Я стремлюсь лишь к описанию того типа поведения, который исторически приводил к научному прогрессу. Я рассказываю об искусстве науки.
Глава VI. Красивые теории
Спеша за облачком или цветком,
Душа приют недолгий обретает,
Пред ней в сиянии неба голубом
Тень вечности, мелькая, исчезает.
Генри Воон. Приют
В 1974 г. Поль Дирак приехал в Гарвард, чтобы рассказать о своей исторической работе, ставшей одной из основ современной квантовой электродинамики. В конце своего выступления Дирак обратился к старшекурсникам и посоветовал им больше думать о красоте тех уравнений, которые они исследуют, а не об их смысле. Это был не самый лучший совет для студентов, но поиск красоты в физике[100] красной нитью проходит через все работы Дирака, да и вообще составляет важную страницу истории физики.
Небольшой разговор о важности красоты в науке не должен рассматриваться как пустая болтовня. Я совсем не собираюсь использовать эту главу для очередных словоизвержений по поводу красоты вообще. Моя цель – более подробно рассмотреть происхождение красоты физических теорий или вопрос о том, почему наше чувство прекрасного иногда оказывается полезным, а иногда изменяет нам и почему плодотворное использование этого чувства есть знак нашего продвижения к окончательной теории.