lecture7
страница №2
...о так.Прежде всего возникает вопрос: с чего начать? Вы скажете: "Я бы начал со всех уже известных принципов". Но все известные нам принципы несовместимы друг с другом, так что от чего-то нам нужно отказаться. Мы непрерывно получаем десятки писем, в которых настаивают, чтобы мы пожертвовали чем-то в наших догадках, в наших теориях.
В одном письме нам пишут: "Вы все время говорите, что пространство непрерывно. Но откуда вы знаете, как только речь заходит о достаточно малых отрезках, что в них содержится достаточно много точек и что это не просто большое число дискретных точек, разделенных маленькими промежутками?"
Или: "Знаете ли, эти квантовомеханические амплитуды вероятности - это так сложно и непонятно. И что заставляет вас думать, что так оно и есть? Может быть, вы неправы?"
Такие возражения очевидны и совершенно ясны всякому, кто работает над этими проблемами. Указывая на них, вы никому не принесете пользы. Задача состоит не в том, чтобы указать на возможную ошибку, а в том, чтобы в точности указать, как ее можно исправить, чем заменить отброшенное. Например, в случае непрерывного пространства предположим, что точное утверждение таково: пространство состоит из последовательности точек, и промежутки между ними не имеют никакого смысла, а все точки организованы в кубическую решетку. Тогда нетрудно показать, что это утверждение ложно. Оно не проходит. Задача не в том, чтобы просто сказать, что это неверно, а в том, чтобы заменить старое утверждение чем-то новым, а это не так-то просто. Как только вы подставите вместо отвергнутого что-то действительно определенное, почти сразу становится ясным, что это предложение не годится.
Вторая трудность в том, что число возможных предложений бесконечно. Все это выглядит примерно так. Вы сидите и трудитесь в поте лица, вы работаете уже давно - и все для того, чтобы открыть сейф. Но тут появляется умник, который понятия не имеет, что вы тут делаете, а знает только, что надо открыть сейф, и говорит: "А почему бы не попробовать комбинацию 10 : 20 : 30?" Но ты не сидел сложа руки, ты ведь испробовал тысячу комбинаций, может быть, ты уже попробовал и комбинацию 10 : 20 : 30. Может, ты уже знаешь, что средние цифры - это 32, а не 20. Или уже установил, что в комбинации всего пять цифр...
Так что, будьте добры, не посылайте мне писем, в которых вы пытаетесь объяснить мне, как все должно быть. Я их читаю - я их всегда читаю, для того чтобы убедиться в том, что я уже думал о том, что в них предлагается, - но отвечать на них слишком долго, так как, по правде говоря, они все на уровне "давайте попробуем комбинацию 10 : 20 : 30". Обычно у природы гораздо больше воображения, чем у нас, как мы видели на примере других, очень тонких и глубоких теорий. А выдвинуть такую тонкую и глубокую гипотезу совсем не просто. Для того чтобы догадаться, нужно быть по-настоящему умным, и это невозможно сделать вслепую на машине.
Теперь я хочу рассказать вам об искусстве угадывания законов природы. Это действительно искусство. Как же это делается? Для того чтобы попытаться получить ответ на этот вопрос, можно, например, обратиться к истории науки и посмотреть, как это делали другие. Вот поэтому мы и займемся историей.
Нам нужно начать с Ньютона. Он находился в таком положении, что его знания были неполными, и он мог угадывать законы, сопоставляя понятия и представления, которые лежали близко к эксперименту. Между наблюдениями и экспериментальной проверкой не было дистанции огромного размера. Таков первый способ, но сегодня при его помощи вам вряд ли удастся добиться успеха.
Следующим великим физиком был Максвелл,открывший законы электричества и магнетизма. Вот что он сделал. Он объединил все законы электричества, открытые Фарадеем и другими учеными, работавшими до него, разобрался в том, что у него получилось, и понял, что с математической точки зрения один из этих законов противоречит другим. Для того чтобы все это выправить, ему нужно было добавить в уравнения еще одно слагаемое. Так он и сделал, придумав для себя модель из расположенных в пространстве шестеренок и зубчатых колес. Он нашел, каким должен быть новый закон, но никто не обращал на этот закон никакого внимания, так как никто не верил в его механизмы. Сегодня мы тоже не верим в эти механизмы, но полученные Максвеллом уравнения оказались правильными. Так что рассуждения могут быть неправильными, а ответ - верным.
В случае с теорией относительности характер открытия был совершенно другим. К этому времени накопилось много парадоксов: известные законы давали взаимно исключающие результаты. Формировался новый тип анализа - с точки зрения возможной симметрии физических законов. Ситуация была особенно сложной, ибо впервые стало ясно, что законы (и пример тому законы Ньютона) очень долго могут считаться правильными и все же в конце концов оказаться неверными. Кроме того, было трудно поверить, что могут быть неверными такие обычные, казалось бы, от рождения нам присущие представления о пространстве и времени.
К открытию квантовой механики мы пришли двумя совершенно разными путями - и пусть это послужит нам уроком. Здесь вновь, и даже в большей степени, накопилось огромное число парадоксов, открытых экспериментальным путем, и их никак не удавалось разрешить на основании уже известных законов. Дело было не в том, что нам не хватало знаний, а в том, что их было слишком много. Вы предсказываете, что должно происходить одно, а на самом деле происходит совсем другое. Два разных пути были выбраны Шредингером (Эрвин Шредингер (1887-1961) - австрийский физик-теоретик, совместно с Полем Дираком получивший Нобелевскую премию по физике за 1933 г.), который угадал основное направление, и Гейзенбергом, утверждавшим, что нужно исследовать только то, что может быть измерено. Эти два совершенно различных философских подхода привели в конце концов к одному открытию.
В самое последнее время в связи с открытием уже упомянутых мною законов слабых взаимодействий (распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино, о которых далеко еще не все известно) возникла совсем другая ситуация. На этот раз нам просто не хватало знаний и догадки строились лишь о виде уравнений. Но теперь особенную трудность представляло то, что все эксперименты оказались неправильными. А как можно угадать правильный ответ, если каждый теоретический результат расходится с экспериментом? Для того чтобы утверждать, что эксперимент неверен, требуется немалое мужество.
Сейчас у нас нет парадоксов, по крайней мере на первый взгляд. Правда, у нас есть эти бесконечности, которые вылезают наружу при попытке объединить все законы в единое целое, но люди так набили руку на том, как прятать весь мусор под ковер, что порой начинает казаться, будто это не так уж серьезно. Как и прежде, то, что мы открыли все эти частицы, ни о чем не говорит кроме того, что наши знания неполны. Я уверен, что в физике история не повторится, как это видно из уже приведенных примеров, и вот почему. Любая схема типа "ищите законы симметрии", или "запишите все, что вы знаете, в математической форме", или "угадайте уравнения" сейчас уже всем известна, и такими схемами все время пытаются пользоваться. Если вы застряли, ответ не может быть получен по одной из этих схем потому, что прежде всего вы попробовали использовать именно их. Каждый раз нужно искать новый путь. Каждый раз, когда образуется длительный затор, когда накапливается слишком много нерешенных задач, это происходит потому, что мы пользуемся теми же методами, которыми пользовались раньше. Новую же схему, новое открытие нужно искать совсем на другом пути. Так что от истории науки не следует ждать особой помощи.
Хочу остановиться теперь коротко на идее Гейзенберга, согласно которой не нужно говорить о том, что все равно нельзя измерить. Дело в том, что об этом толкуют многие, по-настоящему не понимая смысла этого утверждения. Его можно интерпретировать следующим образом: ваши теоретические построения или открытия должны быть такими, чтобы выводы из них можно было сравнивать с результатами эксперимента, т. е. чтобы из них не получилось, что "один тук равняется трем нукам ", причем никто не знает, что такое эти самые тук и нук.
Ясно, что так дело не пойдет. Но если теоретические результаты можно сравнить с экспериментом, то это все, что нам требовалось.
Это вовсе не значит, что ваши туки и нуки не могут появляться в первоначальной гипотезе. Вы можете впихнуть в вашу гипотезу сколько угодно хлама при условии, что ее следствия можно будет сравнить с результатами экспериментов. А это не всем до конца понятно. Часто приходится слышать жалобы на то, что мы совершенно необоснованно распространяем на сферу атомной физики наши представления о частицах, траекториях и т.п. Но ведь это совсем не так, в подобной экспансии нет ничего необоснованного. Мы просто обязаны, мы вынуждены распространять все то, что мы уже знаем, на как можно более широкие области, выходить за пределы уже постигнутого.
Опасно? Да. Ненадежно? Да. Но ведь это единственный путь прогресса.
Хотя этот путь неясен, только на нем наука оказывается плодотворной. Ведь наука приносит пользу только тогда, когда говорит вам о еще непоставленных экспериментах. Она никому не нужна, если позволяет судить лишь о том, что известно из опыта, что только что произошло. Поэтому всегда необходимо распространять идеи за рамки того, на чем они уже опробованы. Например, закон всемирного тяготения, который был придуман для объяснения движения планет, был бы бесполезен, если бы Ньютон просто сказал: "Теперь я знаю, как ведут себя планеты", - и не считал бы себя вправе применять его к силам притяжения Луны Землей, а его последователи - предполагать: "А может быть, и галактики удерживаются силами тяготения". Мы должны пробовать такие идеи.
Конечно, можно сказать: "Когда переходишь к масштабам галактик, можно ожидать чего угодно, поскольку мы ничего об этом не знаем". Верно, но такое ограничение - это конец науке. Сейчас у нас нет окончательно выработавшегося представления о законах поведения галактик. Если же предположить, что их поведение целиком объясняется уже известными законами, такое предположение будет конкретным и определенным, и его легко экспериментально опровергнуть. Гипотезы именно такого рода, вполне определенные и легко сравнимые с экспериментом, мы и ищем. На самом деле, все известное нам о поведении галактик на сегодняшний день не опровергает, по-видимому, предположения, сделанного нами выше.
Можно привести еще один пример, еще более интересный и важный. Самой плодотворной мыслью, сильнее всего стимулирующей прогресс в биологии, является, по-видимому, предположение о том, что все, что делают животные, делают атомы, что в живой природе все результат каких-то физических и химических процессов, а сверх этого ничего нет. Конечно, всегда можно сказать: "Когда переходишь к живой природе, все возможно". Но если вы встанете на такую точку зрения, вы никогда не поймете законов живой природы. Понятно, очень трудно поверить, что извивающиеся шупальца осьминога - это лишь игра атомов, подчиняющихся известным законам физики. Но если исследовать такое движение, пользуясь подобной гипотезой, то оказывается, что мы можем довольно точно угадывать его характер. А тем самым мы добиваемся большого прогресса.
В догадках нет ничего ненаучного, хотя многие не занимающиеся наукой и думают, что это так. Несколько лет назад мне пришлось разговаривать с одним дилетантом о летающих тарелках: поскольку я ученый, я должен знать о летающих тарелках всю подноготную! Я объяснил ему, что не думаю, чтобы летающие тарелки действительно существовали. Это возмутило моего собеседника.
"Разве существование летающих тарелок невозможно? Разве вы можете доказать, что это невозможно?" - горячился он.
"Нет, - отвечаю я, - доказать этого я не могу. Просто это очень маловероятно".
"Но рассуждать так совершенно ненаучно, - продолжал наступать мой оппонент, - если вы не можете доказать, что это невозможно, как же можно позволигь себе говорить, что это маловероятно?"
Но это и есть самый научный способ рассуждений. Наука говорит как раз о том, что более и что менее вероятно, а не доказывает каждый раз, что возможно, а что нет. Если бы я хотел высказаться более определенно, то мне нужно было бы сказать так: "Видите ли, на основании своих представлений об окружающем нас мире я считаю, что сообщения о летающих тарелках являются скорее результатом известной иррациональности мышления жителей нашей планеты, чем неизвестных рациональных усилий мыслящих существ с других планет". Просто первое из предположений гораздо более правдоподобно, и все тут. Это просто хорошая гипотеза. А мы всегда стараемся придумать самое правдоподобное объяснение, не забывая при этом о том, что если оно вдруг окажется негодным, нам придется заняться исследованием других возможностей.
Но как угадать, что нужно сохранять, а чем можно и пожертвовать? У нас столько прекрасных принципов и известных фактов - и все-таки у нас не сходятся концы с концами. То мы вновь получаем бесконечно большие значения, то наше объяснение оказывается неполным - чего-то недостает. Иногда это значит, что нам нужно расстаться с какой-то идеей. По крайней мере в прошлом всегда оказывалось, что для того чтобы выйти из аналогичного затруднения, приходилось пожертвовать каким-то глубоко укоренившимся представлением. Весь вопрос как раз и сводится к тому, что сохранить, а что отбросить. Если пожертвовать сразу всем, то это заведет нас слишком далеко, и у нас практически ничего не останется для работы. В конце концов, закон сохранения энергии кажется разумным, он удобен, и мне не хотелось бы с ним расстаться. Для того чтобы угадать, что сохранить а что отбросить, требуется немалое мастерство. По-правде говоря, я вполне допускаю, что дело здесь только в удаче, но выглядит все именно так, как если бы для этого требовалось большое мастерство.
Амплитуды вероятностей выглядят очень странно, и с первого взгляда вы совершенно уверены, что эта новая теория безусловно нелепа. Но все, что можно вывести из представления о квантовомеханических амплитудах вероятности, как бы странно это представление ни выглядело, оказывается верным, и так на протяжении всей теории странных частиц, на все 100%. Поэтому я не думаю, что когда мы откроем законы внутренней структуры нашего мира, эти представления окажутся неправильными Мне кажется, что эта часть физики правильна, но я только высказываю предположение, я рассказываю вам, как я строю догадки.
В то же время теория, согласно которой пространство непрерывно, мне кажется неверной, потому что она приводит к бесконечно большим величинам и другим трудностям. Кроме того, она не дает ответа на вопрос о том, чем определяются размеры всех частиц. Я сильно подозреваю, что простые представления геометрии, распространенные на очень маленькие участки пространства, неверны. Говоря это, я, конечно, всего лишь пробиваю брешь в общем здании физики, ничего не говоря о том, как ее заделать. Если бы я это смог, то я закончил бы лекцию новым законом.
Некоторые, указывая на противоречивость принципов физики, говорят, что существует только один внутренне непротиворечивый мир, а поэтому если мы соберем все принципы вместе и будем вычислять все очень и очень точно, то сможем не только вывести все настоящие принципы, но и обнаружить, что это единственные принципы, которые могут существовать при том условии, что все должно оставаться внутренне непротиворечивым. Мне такой замах кажется слишком большим. Мне кажется, это все равно, что "вилять" собакой, держа ее за хвост. Я думаю, что необходимо принять существование некоторых вещей, - не всех 50 с лишним частиц, но нескольких маленьких частиц вроде электрона и т. п., - а затем вероятно, окажется, что вся наблюдаемая сложность устройства нашего мира является естественным следствием этого факта и справедливости определенных принципов. И я не думаю, что все это можно получить из одних рассуждений и внутренней непротиворечивости.
Другая стоящая перед нами задача связана с наличием слабых симметрий. Существование таких симметрий вроде утверждения, что нейтрон и протон совершенно одинаковы, за исключением их электрических свойств, или что принцип зеркального отображения верен всюду, кроме реакции одного типа, все это очень досадно. Казалось бы, все симметрично, но на самом деле не до конца. По этому вопросу сейчас существуют две различные точки зрения. Одна утверждает, что на самом деле все просто, что на самом деле все симметрично и что все дело в небольших осложнениях, немного нарушающих идеальную симметрию. Другая школа, у которой всего один последователь, - это я, - не согласна с этим и верит, что все очень сложно и что простота достигается лишь через сложность. Древние греки считали, что планеты движутся по круговым орбитам. На самом же деле эти орбиты эллиптические. Они не идеально симметричны, но очень мало отличаются от окружностей. Возникает вопрос, а почему они симметричны только приближенно? Почему они так мало отличаются от окружностей? Из-за долговременного и очень сложного эффекта приливного трения - это очень сложная теория. Очень может быть, что в глубине души природа совершенно несимметрична, но в хитросплетениях реальности она начинает выглядеть почти симметричной, и эллипсы начинают походить на окружности. Вот вам и другая возможность. Но никто не знает ответа наверняка, все это просто догадки.
Предположим, что имеются две теории А и В, совершенно различные с психологической точки зрения, построенные на совершенно разных принципах и т.д., но такие, что все вытекающие из них следствия в точности одинаковы и совпадают с экспериментом. Итак, у нас есть две гипотезы, которые поначалу звучат совсем по-разному, но все выводы из которых оказываются одинаковыми (это обычно нетрудно показать математически, доказав, что логика теорий А и В всегда приводит к одинаковым результатам). Предположим, что такие две теории существуют, и зададим себе вопрос, на каком же основании мы отдадим предпочтение одной из них. Наука этого не знает, так как каждая из них согласуется с экспериментом в одинаковой степени. Поэтому две теории, основывающиеся, возможно, на глубоко различных принципах, могут быть с математической точки зрения идентичными, и не существует научного метода выяснения, какая из них верна.
Однако с психологической точки зрения обе эти теории могут быть совершенно не равноценными для угадывания новых теорий: ведь они построены совсем на разных фундаментах. Находя для теории место в определенной схеме понятий, вы можете вдруг разглядеть, что здесь требует изменения. Например, в теории А что-то говорится о чем-то, а вы скажете: "Вот это нужно изменить".
Но выяснить, что нужно изменить в другой теории для того, чтобы прийти к эквивалентному результату, может быть очень сложным, и додуматься до этого, может быть, совсем не просто. Другими словами, предполагаемое изменение может быть совершенно естественным для одной теории и столь же неестественным для другой, хотя до него они были абсолютно тождественны. Вот почему, учитывая психологию научного творчества, мы должны помнить о всех этих теориях и вот почему каждый приличный физик-теоретик знает шесть или семь теоретических обоснований одних и тех же физических фактов. Он знает, что они эквивалентны и что никто и никогда не сможет решить, оставаясь на этом же уровне, какая из этих теорий верна, но он помнит о них всех, надеясь, что это подскажет ему разные идеи для будущих догадок.
А это напоминает мне еще об одном вопросе, о том, что совсем незначительные поправки к теории могут потребовать радикальной перестройки понятий и представлений, лежащих в ее основе. Например, представления Ньютона о пространстве и времени прекрасно согласовались с экспериментом, но для того, чтобы правильно объяснить движение планеты Меркурий, а оно едва заметно отличалось от того, что получалось по теории Ньютона, потребовались колоссальные изменения в характере всей теории. Причина этого кроется в том, что законы Ньютона были весьма просты, весьма совершенны и давали вполне определенные результаты. Для того чтобы построить теорию, которая вносила бы едва заметные поправки, ее нужно было полностью изменить.
Формулируя новый закон, нельзя ввести неидеальности в идеальную схему: нужна совершенно новая идеальная теория. Вот почему так велика разница в философии теории гравитации Эйнштейна и теории всемирного тяготения Ньютона.
Что же такое идейное обоснование физической теории? На самом деле это просто ловкий способ быстро делать вывод. Философская или, как ее еще иногда называют, идеологическая интерпретация закона является лишь способом, позволяющим держать этот закон в голове в виде, пригодном для быстрого отгадывания его следствий. Некоторые говорят (и они правы в случае, например, уравнений Максвелла): "Бросьте вы вашу философию, все эти ваши фокусы, а лучше угадывайте-ка правильные уравнения. Задача лишь в том, чтобы вычислять ответы, согласующиеся с экспериментом, и если для этого у вас есть уравнения, нет никакой нужды в философии, интерпретации или любых других словах". Это, конечно, хорошо в том смысле, что, занимаясь одними уравнениями, вы свободны от предрассудков и вам легче отгадывать неизвестное. Но, с другой стороны, может быть, именно философия помогает вам строить догадки. Здесь трудно сделать окончательный выбор.
Пусть те, кто настаивает на том, что единственно важным является лишь согласие теории и эксперимента, представят себе разговор между астрономом из племени майя и его студентом. Майя умели с поразительной точностью предсказывать, например, время затмений, положение на небе Луны, Венеры и других планет. Все это делалось при помощи арифметики. Они подсчитывали определенное число, вычитали из него другое и т. д. У них не было ни малейшего представления о вращении небесных тел. Они просто знали, как вычислять время следующего затмения или время полнолуния и т. п. Так вот, представьте себе, что к нашему астроному приходит молодой человек и говорит: