В науке существует много идей и концептов, в отношении которых мы так уверены, что можем спокойно считать их фактами. Если я спрыгну с крыши, Земля притянет меня к себе (а я чуть-чуть подтяну ее наверх) согласно простому математическому уравнению, и это практически факт. Мы еще не знаем всего про гравитацию, но мы точно знаем, как она действует на объекты. Если я брошу мяч с высоты пяти метров, я без всякого секундомера буду знать, что, прежде чем удариться о землю, он пробудет в воздухе одну секунду – не две, не половину, а одну секунду. Когда-нибудь мы, возможно, разработаем новую теорию квантовой гравитации, но она никогда не подтвердит, что мячу понадобится в два раза больше или меньше времени, чем получается согласно ньютоновскому уравнению. Это – абсолютная истина нашего мира. Нет никакого философского аргумента, способа медитации, духовного учения или религиозного прозрения, или даже инстинктивного ощущения или политической идеологии, которые могли бы убедить меня, что мячу, брошенному с высоты пяти метров, нужна одна секунда, прежде чем удариться о землю. А вот наука – может.
Значит, в каком-то смысле еще остающиеся пробелы в наших знаниях о законах Вселенной – о природе темной материи, верности инфляционной теории, правильной интерпретации квантовой механики, истинной природе времени и так далее – не изменят нашего понимания сил, материи и энергии, формирующих мир вокруг нас. Будущие успехи физики не заставят устареть то, что мы уже знаем. Они просто приведут к более детализированным и глубоким знаниям.
Физика – это человек
В конечном счете физики ничем не отличаются от остальных людей. Нам хочется, чтобы наши идеи и теории были правильными, и мы будем защищать их от вновь возникающих свидетельств в пользу обратного. Даже самые блестящие физики, как мы знаем, пытались замолчать проблемы, касающиеся их собственных теорий, и всячески поддерживали критику конкурирующих с ними идей. Склонность к подтверждению существует в науке наряду с другими явлениями, и ученые тоже подвержены этой слабости. Мы стремимся получить должности и повышение по службе, конкурируем за получение финансирования, хотим завершить проект к назначенному сроку, готовы умереть за публикацию своей работы и изо всех сил стараемся заслужить уважение коллег и одобрение начальства.
И все-таки наша готовность к научным исследованиям должна, в частности, подразумевать готовность к самопожертвованию и честному отношению к науке, чтобы мы могли обуздать наши основные инстинкты. Мы должны сделать так, чтобы наши желания не ослепляли нас, чтобы наши предрассудки и субъективные интересы не заводили нас в тупик. Иногда кажется, что у нас это не выходит, особенно если иметь в виду отдельных ученых – и правда, известно несколько подтвержденных документально примеров мошенничества и коррупции в области научных исследований. Однако как исследовательское сообщество мы обладаем некими внутренними корректирующими процедурами, такими как коллегиальный обзор научных статей (я осознаю, что это неидеальный способ оценки научного исследования), и мы уделяем большое внимание воспитанию молодых ученых в духе ответственного отношения к своей работе. Это означает, что научный метод по самой своей природе является саморегулирующейся системой. Слабые теории в конце концов умирают, сколько бы усилий ни прилагали защитники для поддержания их жизни, даже если иногда требуется несколько поколений ученых для того, чтобы освободиться от оков особенно сильно утвердившейся теории, у которой истек «срок хранения».
Лучшие физики – чаще всего те, кому удалось подняться над повседневностью и освободиться от предрассудков, связанных с общим мнением, модой или репутацией – даже с их собственной. Но это с большей вероятностью происходит в тех случаях, когда уже известно, что данная теория не является последним словом в соответствующей области или что существуют конкурирующие теории, причем у каждой из них есть достойные защитники. Вспомним также, что физика, как и всякая другая наука, не является демократичной. Бывает так, что одно-единственное экспериментальное наблюдение низвергает общепринятую идею и возводит на пьедестал другую. И теперь уже эта новая теория находится под яркими лучами экспериментальных проверок для подтверждения ее правильности.
Можно считать, что многие спекулятивные идеи современной фундаментальной физики (некоторые мы обсуждали в главе 8) не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к настоящей научной теории, потому что их нельзя подтвердить опытными данными. Я бы отнес сюда (по крайней мере на сегодняшний день) теорию струн, петлевую теорию гравитации, теорию энтропии черных дыр и теорию мультивселенных. И все же тысячи физиков-теоретиков в мире ведут интенсивные исследования в этих направлениях. Может быть, им следует прекратить работу, поскольку их теории еще нельзя протестировать? Может быть, они зря тратят государственные средства, которые можно было бы вложить в более полезные научные направления? И что руководит этими физиками, если у них нет инструментов для проверки своих теорий? Или они просто ослеплены красотой уравнений? А иногда отдельные физики даже утверждают, что им и не нужно тестировать свои теории с помощью экспериментальных данных, а надо лишь сравнивать разные теории по их математической стройности и элегантности. Мне лично эта дорожка кажется довольно опасной.
Однако если я буду слишком строг к этим «любителям поиска в темноте», то проявлю недостаток воображения и понимания истории научных идей. Когда Максвелл записал свои уравнения электрического и магнитного полей и на этой основе вывел волновое уравнение для света, никто, включая самого Максвелла, не предполагал, как эти идеи будут использованы Генрихом Герцем, Оливером Лоджем, Гульельмо Маркони и другими, кто участвовал в изобретении радио. Разрабатывая теории относительности, Эйнштейн тоже не мог ожидать, что однажды они будут использованы для того, чтобы обеспечить точную спутниковую навигацию, к которой вы можете получить доступ с помощью технических чудес, воплощенных в суперкомпьютере в вашем кармане, а тот, в свою очередь, не удалось бы разработать без отвлеченного теоретизирования пионеров квантовой механики.
Итак, приверженцы инфляционной теории, теории струн и петлевой квантовой гравитации продолжают выполнять свою миссию – и правильно делают. Их идеи могут оказаться неверными или, наоборот, могут изменить ход истории. Или нам придется подождать появления второго Эйнштейна, а может, даже искусственного интеллекта, который поможет выйти из теперешнего затруднительного положения. Чего именно мы дождемся – пока сказать трудно. Но можно с уверенностью утверждать, что если мы когда-нибудь перестанем проявлять любопытство к сути явлений во Вселенной и откажемся от попыток понять, как она и все мы тут оказались, то мы изменим своей человеческой сущности.
А человеческая деятельность беспредельно плодотворна. Мы придумали искусство, и поэзию, и музыку; мы создали разные религии и политические системы; мы построили разные общества, культуры и империи, настолько богатые и сложные, что их никогда не удастся воплотить ни в какой математической формуле. Но если мы захотим узнать, откуда мы родом, где образовались атомы нашего организма, если захотим задать все вопросы, касающиеся мира и Вселенной, в которой мы обитаем, то только физика поможет нам прийти к истинному пониманию реального мира. А достигнув этого понимания, мы сможем участвовать в формировании нашего мира и собственной судьбы.
Благодарности
Это очень непростая задача – показать сбалансированную картину обширной фундаментальной физики в такой небольшой книге, предназначенной для непрофессионалов. И при этом все-таки постараться войти в некоторые подробности относительно последних достижений во многих областях и свести их в единое целое. Предоставляю вам судить о том, насколько хорошо мне это удалось. Мне также хотелось избежать избитых метафор и аналогий, которые так часто встречаются в научно-популярной литературе. Многие из них в конце концов изживают себя или в условиях появления новых знаний начинают противоречить истине.
И даже если все это в принципе достижимо, есть еще одна проблема.
Остров наших познаний в физике окружен океаном того, что еще предстоит объяснить, но площадь этого острова все время увеличивается. Моя книга предназначена для того, чтобы исследовать побережье этого острова – передние рубежи наших современных знаний. Однако точное и краткое описание этого побережья – непростая задача для одного человека. Хотя я могу обращаться к более чем 30-летнему опыту исследований в области теоретической физики, а также почти столь же длительному опыту преподавания и популяризации науки, позволившим мне отточить навыки поиска нужных языковых средств для раскрытия сложных концептов, я тем не менее вполне осознаю ограниченность своих возможностей, когда речь идет о тех областях физики, которые лежат за пределами моего опыта. Поэтому я хочу выразить огромную признательность моим коллегам и сотрудникам за многочисленные плодотворные дискуссии со мной в течение многих лет. Я также очень благодарен всем, кто потратил свое драгоценное время на чтение моей рукописи и вносил предложения, которые помогли мне заполнить пробелы в знаниях. Ваши предложения тончайших изменений в формулировках позволили сделать объяснения более точными без потери ясности и простоты.
Мне доставило большое удовольствие время от времени вступать в полемику (впрочем, не очень серьезную) с окружающими, пытаясь выразить собственные взгляды на нерешенные проблемы физики. Я старался, насколько возможно, выделить вопросы, по которым существуют расхождения или сомнения, – в частности, те случаи, когда я критически отношусь к общепринятым взглядам (это касается, например, основ квантовой механики или подхода к квантовой гравитации или инфляционной теории). Извинением мне служит то, что эти взгляды не исключительно мое мнение (хотя именно я выступаю их защитником) – скорее, это мнение физиков, которых я уважаю и которые работают на самых передних рубежах в данной области.
Я хочу выразить особую благодарность за многочисленные полезные комментарии своим коллегам с факультета физики Университета Суррея Джастину Риду и Андреа Рокко. Я также благодарен Майклу Штрауссу из Принстона, который разъяснил мне целый ряд аспектов астрономии, и Эндрю Понцену из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе, с которым я в последнее время имел несколько плодотворных дискуссий о природе темной материи и смысле инфляционной теории. Также благодарю двух моих любимых популяризаторов науки Филипа Болла и Джона Гриббина за их глубокие комментарии, значение которых трудно переоценить.
Я попытался, насколько возможно, учесть все комментарии и предложения, высказанные моими коллегами. Несомненно, в книге встретятся моменты, с которыми не все полностью согласятся, но я надеюсь, что их будет немного. Одно я знаю точно: все это сделало мою книгу гораздо лучше, чем я мог бы надеяться, если бы не обратился за помощью.
Я уже много лет имею удовольствие представлять на «Би-би-си Радио 4» серию фильмов под названием «Жизнь в науке», где я интервьюирую ведущих мировых ученых. Это дало мне возможность немного глубже погрузиться в последние идеи фундаментальной физики, в особенности в таких эзотерических областях, как физика частиц и космология. Я благодарен Шону Кэрроллу, Фрэнку Клоузу, Полу Дейвису, Фей Доукер, Карлосу Френку, Питеру Хиггсу, Лоренсу Крауссу, Роджеру Пенроузу и Карло Ровелли; их я имел счастье принимать в качестве гостей своей программы. Если в этой книге есть какие-то идеи, которые им не совсем близки (а я уверен, что так оно и будет), то, надеюсь, они меня простят. Они не читали этой рукописи, но их полезнейшие советы, безусловно, помогли мне навести порядок в своих мыслях.
И наконец, я очень многим обязан Ингрид Гнерлих, моему редактору из издательства Принстонского университета, за ее безусловную поддержку, советы и предложения по структуре и формату книги, которые помогли мне создать окончательный вариант. Большую роль в этом сыграла и мой технический редактор Энни Готтлиб.
Само собой разумеется, самую глубокую благодарность я хочу выразить моей любимой жене Жюли за ее терпение и поддержку и почти столь же любимому агенту Патрику Уолшу – вместе мы составляем прекрасную команду.