Стивен Вайнберг

Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы

Об авторе

Стивен Вайнберг – лауреат Нобелевской премии по физике 1979 г. за создание теории объединения двух фундаментальных сил природы. В 1991 г. он был удостоен Национальной медали за науку, вручаемой в Белом доме. Его более ранняя книга «Первые три минуты» стала классикой научно-популярного изложения теории Большого взрыва – современного взгляда на рождение Вселенной. Среди других книг С. Вайнберга – «Теория субатомных частиц» и «Гравитация и космология: основы и приложения общей теории относительности». С. Вайнберг – член Лондонского королевского общества, Американской национальной академии наук, а также лауреат почетных званий многих национальных и зарубежных университетов.

Выдержки из рецензий на книгу Стивена Вайнберга «Мечты об окончательной теории»

Вайнберг интригует читателей поразительной способностью человеческого мозга разгадывать загадки природы, а также приводит удивительные примеры научных предсказаний, оказавшихся верными. Он размышляет о том, что подразумевают, говоря «красивая теория», и почему у красивых теорий есть хорошие шансы оказаться работоспособными.

Los Angeles Times

Физическое общество не могло не возлагать большие надежды на новую книгу С. Вайнберга, одного из своих выдающихся членов. И «Мечты об окончательной теории» не разочаровали… После первого прочтения у меня возникло желание еще раз вернуться к книге. Прочитав книгу второй раз, я был сильно поражен ее утонченностью и искренностью. «Мечты об окончательной теории» заслуживают того, чтобы быть читанными и перечитанными тысячами физиков, философов и просто думающих людей.

Physics Today

Стивен Вайнберг, выдающийся физик-теоретик мирового масштаба, проявляет научную откровенность, которая граничит с агрессивностью. В своей книге он обсуждает многие сложные и неоднозначные вопросы физики элементарных частиц, и высказывает свое мнение свежим и аргументированным языком.

Boston Globe

В этой книге повествование, сюжет и авторское изложение собственной теории и выводов сплетены таким ясным образом, что читатель получает истинное удовольствие.

Science News

Великолепная книга! Вызывающая книга! Среди последних книг, написанных нобелевскими лауреатами – самая лучшая.

Boston Globe

«Мечты об окончательной теории» – хорошая книга, искренняя.

Chicago Tribune

Он выходит за упрощенческое описание экспериментаторов как занимающихся своей работой, чтобы подтвердить или опровергнуть теории, и дает нам гораздо более богатую картину того, как наука работает на самом деле.

Chicago Tribune

[Вайнберг] пишет ясно и доверительно, так что читатель проникается непреодолимым ощущением, что находится в руках мастера.

Sunday Times (London)

Предисловие

Эта книга посвящена великому интеллектуальному приключению – поиску окончательных законов природы. Мечта об окончательной теории во многом вдохновляет работы в области физики высоких энергий. Хотя мы и не знаем, как могут выглядеть окончательные законы или сколько лет пройдет, прежде чем они будут открыты, все же мы полагаем, что уже в современных теориях улавливаются проблески контуров окончательной теории.

Сама идея окончательной теории противоречива и является в наши дни предметом интенсивных споров. Это противоречие уже достигло комитетских кабинетов конгресса США: физика высоких энергий становится все более дорогой наукой и обращение ученых за общественной поддержкой частично обосновывается исторической миссией открытия окончательных законов.

С самого начала в мои намерения входило изложение тех вопросов, которые возникают в связи с самой идеей окончательной теории как части интеллектуальной истории нашего времени, рассчитанное на читателей без специальной подготовки по физике и высшей математике. В этой книге речь идет о ключевых идеях, лежащих в основе современных фундаментальных исследований по физике. Но это не учебник по физике, и читатель не встретит отдельных глав, полностью посвященных частицам, взаимодействиям, симметриям и струнам. Напротив, я вплел понятия современной физики в обсуждение того, что такое окончательная теория и как мы собираемся ее искать. Здесь я следовал собственному опыту читателя в тех областях (например, история), где уже я чувствую себя дилетантом. Историки часто поддаются искушению дать сначала общий рассказ о событиях, посвятив затем отдельные главы населению, экономике, технологии и пр. С другой стороны, те историки, которых читают для удовольствия, от Тацита и Гиббона до Дж. Эллиота и С. Морисона, перемежают рассказ о событиях сведениями общего характера, приводя при этом доводы в пользу тех выводов, которые они хотят донести до читателя. Работая над этой книгой, я пытался следовать их примеру и сопротивлялся искушению быть везде аккуратным. Я также не стеснялся излагать исторические или научные сведения, уже известные читателям – историкам или ученым, а также повторять эти сведения там, где я считал полезным. Как сказал однажды Энрико Ферми, никогда не следует недооценивать удовольствие, которое мы получаем, услышав что-нибудь нам уже известное.

Книга «Мечты об окончательной теории» состоит из трех основных частей и заключения. В первой части (главы I–III) рассказывается о самой идее окончательной теории; во второй части (главы IV–VIII) объясняется, как мы можем продвинуться в сторону построения окончательной теории; наконец, в третьей части (главы IX–XI) обсуждается вопрос о том, как эта теория может выглядеть и какое влияние на человечество окажет ее открытие. В заключительной главе XII я обсуждаю аргументы за или против строительства Сверхпроводящего суперколлайдера, нового дорогого устройства, чрезвычайно необходимого физикам – специалистам в области высоких энергий, финансирование которого находится под вопросом.

Более полное обсуждение некоторых идей, изложенных в основном тексте, читатель найдет в серии примечаний в конце книги. В ряде мест основного текста, там, где я чересчур упростил некоторые научные понятия, я дал в примечаниях более развернутые комментарии.

Я глубоко признателен Луизе Вайнберг, заставившей меня переписать первый вариант этой книги и объяснившей, как это следует сделать.

Моя искренняя благодарность Дэну Франку из Panteon Books за поддержку, проницательные советы и редактирование и Нейлу Белтону из Hutchinson Radius, а также моему агенту Мортону Джанклоу за важные предложения.

Я признателен за комментарии и советы по различным вопросам: философам Полу Фейерабенду Джорджу Гейлу, Сандре Хардинг, Майлсу Джексону, Роберту Нозику, Хиллари Патнем и Майклу Редхеду; историкам Стефену Брушу, Питеру Грину и Роберту Ханкинсону; юристам Филипу Боббитту, Луизе Вайнберг и Марку Юдову; историкам физики Джеральду Холтоиу, Абрахаму Пайсу и С. Самюэлю Швеберу; физику-теологу Джону Полкингхорну; психиатрам Леону Эйзенбергу и Элизабет Вайнберг; биологам Сидни Бреннеру, Фрэнсису Крику, Лоуренсу Гильберту, Стефену Гоулду и Эрнсту Майру; физикам Якиру Аронову, Сидни Коулмену, Брайсу Де Витту, Манфреду Финку, Майклу Фишеру, Дэвиду Гроссу, Бенгту Нагелю, Стефену Орзагу, Брайану Пиппарду Джозефу Польчински, Рою Швиттерсу и Леонарду Сасскинду; химику Роальду Хоффману; астрофизикам Уильяму Прессу, Полю Шапиро и Этану Вишняку; писателям Джеймсу Глейку и Ларсу Густафсону. С их помощью мне удалось избежать многих серьезных ошибок.

Стивен Вайнберг

Остин, Техас

Август 1992 г.

Глава I. Пролог

Красавицы на моем пути,

Желанные и покорившиеся мне,

Они – мечты всего лишь о тебе…

В ХХ в. необычайно расширились границы научного познания в физике. Наши представления о пространстве, времени и тяготении полностью изменились благодаря специальной и общей теориям относительности Эйнштейна. Совершив еще более радикальный разрыв с прошлым, квантовая механика изменила сам язык, который мы используем для описания природы: вместо того, чтобы говорить о частицах, имеющих определенные положение и скорость, мы научились говорить о волновых функциях и вероятностях. Слияние теории относительности с квантовой механикой привело к новому видению мира, в котором вещество перестало играть главенствующую роль. Эта роль перешла к принципам симметрии, причем на данном этапе развития Вселенной некоторые из них скрыты от взгляда наблюдателя. На такой основе нам удалось построить удовлетворительную теорию электромагнетизма, а также слабых и сильных ядерных взаимодействий элементарных частиц. Часто ученые чувствовали себя как Зигфрид, который, попробовав крови дракона, с удивлением обнаружил, что может понимать язык птиц.

Но сейчас мы застряли. Годы, прошедшие с середины 1970-х, были самыми бесплодными в истории физики элементарных частиц. Мы расплачиваемся за собственные успехи: теория продвинулась так далеко, что дальнейший прогресс требует изучения процессов, происходящих при энергиях, далеко выходящих за пределы возможностей существующих экспериментальных установок.

Чтобы выйти из тупика, физики еще в 1982 г. начали планировать строительство научной установки беспрецедентных размеров и стоимости, получившей название Сверхпроводящий суперколлайдер (ССК). В этом проекте предполагается прорыть овальный туннель длиной около 85 км к югу от Далласа. Тысячи сверхпроводящих магнитов, расположенных внутри этого подземного туннеля, должны заставить совершить миллионы оборотов по кольцу два встречных пучка электрически заряженных частиц – протонов, пока они не ускорятся до энергии, в двадцать раз большей, чем максимальная энергия, достижимая на существующих ускорителях. В нескольких точках вдоль кольца протоны обоих пучков будут миллион