Леонард Млодинов - Радуга Фейнмана. Поиск красоты в физике и в жизни

Идеи Марри властвовали в физике более двадцати лет, но самым знаменитым его достижением была изящная математическая система для классификации и объяснения свойств десятков известных субъядерных частиц. Исключая более привычные субъядерные составляющие – протоны и нейтроны, – эти частицы распадались за малую долю секунды и были открыты за несколько последних десятилетий. Они возникали, только если вляпать один протон в другой. Чтобы во всем этом зоопарке субъядерных частиц, обнаруженных Марри, был математический порядок, он позднее предположил, что протон, нейтрон и другие частицы имеют внутреннюю структуру и составлены из еще более базовых строительных блоков в различных сочетаниях. Это «суб-субъядерные частицы» внутри других частиц, из которых состоит ядро атома. Он назвал их кварками. Отдельные кварки никто никогда не видел, но физики постепенно приняли теорию Марри. Она заслужила ему сравнение с Д. И. Менделеевым, разработавшим Периодическую систему элементов. Как и система Марри, Периодическая таблица выстраивает химические элементы в группы на основании общих свойств. И, как система Марри, этот порядок элементов был в конце концов объяснен в понятиях внутренней структуры, в данном случае – в терминах внутренней структуры частиц атома, позднее названных электронами.

За свою работу Марри получил Нобелевскую премию и стал одним из влиятельнейших ученых послевоенной эпохи. И все же метилось, что у него комплекс неполноценности и ему хотелось выказывать свою гениальность. О чем бы ни заходила речь – хоть об ускорителях частиц, хоть о септических резервуарах, – он мог и желал объяснить, как они работают, их ключевые технические характеристики, а также к чему присматриваться в последних моделях. Его подозрительно «правильное» произношение моей фамилии мне не померещилось: он будто выискивал возможности произносить иностранные слова – названия городов, например, – чтобы продемонстрировать способность говорить как носитель языка. То слушаешь вроде бы обычного ньюйоркца, а то вдруг лицо у него меняется, и следующие несколько слов – как у квебекца, или русского, или китайца. Однажды некий студент, пока был на каникулах, выучил несколько слов на майянском и решил проверить заявление Марри, что он-де знает этот язык: произнес фразу на майянском и предложил Марри ее перевести. Марри упрекнул студента. Фраза была на низком майянском. А Марри, по его словам, изучал высокий.

Фейнман с Марри были друзьями – по крайней мере, более-менее. Из всех университетов, предлагавших Марри место, он выбрал Калтех именно из-за Фейнмана. И именно Фейнман в конце 1960-х обеспечил некоторые ключевые теоретические доказательства кваркам Марри, находящимся, предположительно, внутри каждого нейтрона и протона, однако не встречающимся отдельно.

В те времена то было значимое противоречие физики: если нельзя выделить и изолировать кварк, какой смысл утверждать, что отдельные кварки в самом деле существуют? Может, эти частицы внутри частиц – всего лишь удобное математическое построение? Эти вопросы – часть большего, философского: в какой мере данные эксперимента в современных ускорителях – прямое наблюдение, а в какой – всего лишь плод всеобщей договоренности об интерпретации численных данных? В конце концов, даже простые частицы вроде электронов и протонов мыслятся «наблюдаемыми», хотя «видим» мы их лишь косвенно: по следам, оставляемым на пленке, или по щелчкам счетчика Гейгера. А для более экзотических частиц свидетельства еще менее прямые: их существование выводят из статистических выбросов в записях данных, относящихся к рассеиванию других частиц. А ну как марсианская цивилизация, получив те же экспериментальные наблюдения, сформировала бы совершенно иной взгляд на «реальность» под этими фактами? Школа философской мысли под названием «позитивизм» вообще избегает таких вопросов, считая, что реальностью можно считать лишь непосредственно воспринимаемое органами чувств. Современная физика шагнула далеко за пределы позитивистских представлений. Но многим мысль о том, что ненаблюдаемая частица вроде кварка реальна, показалась чуточку чрезмерной натяжкой. Фейнман на это говорил, что ему врач запретил обсуждать метафизику. Но он же в конце шестидесятых опубликовал работу, показавшую, как определенные экспериментальные наблюдения поведения протона могут быть объяснены, если предположить, что у протонов есть внутренняя структура из незримых субчастиц – это и есть то самое косвенное «наблюдение» кварков, которое большинство физиков приняли как доказательство существования этих частиц. Циник Фейнман, как ни парадоксально, сам же и нарывался на противоречия. У кварков было много особых свойств, не имевших отношения к исследуемому Фейнманом физическому процессу. И поэтому из его расчетов нельзя было заключить, что невидимые частицы в его теории имели те самые свойства, то есть являлись кварками. Может, это теория Марри ошибочна – и внутри протона существуют другие незримые частицы, которые еще предстоит описать. Как раз поэтому Фейнман в своей теории и отказался называть эти внутренние частицы кварками, а поименовал их партонами. Это вызвало у Марри досаду – отчасти отказом Фейнмана поддержать его работу, отчасти потому, что слово «партон» есть смесь латинского и греческого корней. Но в этом был весь Фейнман: дотошный при описании природы и беспечный в смешенье латыни и греческого.

Хоть Фейнман и порицал изучение философии, трения между ним и Марри состояли в разнице философий. Фейнман говаривал, что физики бывают двух видов: вавилоняне и греки. Он ссылался на противостояние философий этих древних цивилизаций. Вавилоняне сделали первые великие шаги западной цивилизации к пониманию чисел, уравнений и геометрии. Но именно позднейшим грекам – особенно Фалесу, Пифагору и Евклиду – мы обязаны созданием математики. Вавилоняне пеклись исключительно о прикладной части своих расчетов, то есть об адекватности описания физического положения вещей, а не о том, насколько они точны или вписаны в более масштабную логическую систему. Фалес и его последователи-греки, с другой стороны, сформулировали представления о теореме и доказательстве – и потребовали, чтобы любое утверждение признавалось истинным только в случае точного соответствия логической системе подробно изложенных аксиом или допущений. Попросту говоря, вавилоняне сосредоточивались на явлениях, а греки – на внутреннем порядке, обусловливающем эти явления.

Оба подхода могут быть вполне могучи. Греческий подход привносит силу логического аппарата математики. Физики этого сорта частенько следуют за математической красотой теоретических построений. Что привело ко многим красивым прикладным проявлениям математики – к классификации частиц Марри, в частности. Вавилонский подход оставляет некоторую свободу фантазии и дает возможность следовать за инстинктом или интуицией, за «нутряным чутьем» в отношении природы, не беспокоясь о точности и доказательстве. Такая эстетика тоже породила множество побед – побед интуиции и «физических рассуждений», то есть рассуждений, основанных ключевым образом на наблюдениях и интерпретациях физических процессов, а не на математике. По сути, физики, применяющие такой способ мышления, иногда нарушают формальные правила математики или даже выдумывают странные новые (и не доказанные) методы расчетов – на основании своего понимания экспериментальных данных. В некоторых случаях математикам приходилось идти замыкающими: либо оправдывать новоизобретенные физиками способы применения математических представлений, либо разбираться, почему такое «недозволенное» использование математики все равно дает на выходе довольно точные ответы.