Стивен Хокинг - Высший замысел
Кварки. Концепция кварков — крайне важный элемент в наших теориях фундаментальной физики, несмотря на то что наблюдать отдельные кварки невозможно.
Моделезависимый реализм может дать основу для обсуждения вопросов, подобных вот такому: что происходило до создания мира, если он был создан конечное время назад? Христианский философ Августин Блаженный (354–430) считал, что ответ не в том, что Бог уготовил ад для людей, задающих подобные вопросы, а в том, что время — это свойство созданного Богом мира и его не существовало до сотворения мира, которое, по мнению философа, произошло не так уж давно. Это одна из возможных моделей, полюбившаяся тем, кто утверждает, будто расчет времени, данный в Книге Бытия, верен буквально, несмотря на то что в мире встречаются окаменелости и другие свидетельства, доказывающие, что мир намного старше. (Они что, были подброшены, чтобы дурачить нас?) Кто-то может придерживаться другой модели, согласно которой время длится уже 13,7 миллиарда лет, считая от Большого взрыва. Эта модель, объясняющая большинство наших нынешних наблюдений, включая исторические и геологические свидетельства, является лучшим из имеющихся представлений о прошлом. Она может объяснить и окаменелости, и данные радиоуглеродного анализа, и то, что до нас доходит свет от галактик, расположенных в миллионах световых лет от нас. Поэтому вторая модель — теория Большого взрыва — более приемлема для нас, чем первая. И все же ни одну из них нельзя считать более реальной.
Некоторые признают модель мира, в которой время существовало и до Большого взрыва. Пока неясно, насколько она лучше для объяснения нынешних наблюдений, поскольку представляется, что при Большом взрыве законы развития Вселенной могли кардинально измениться. Если это произошло, то нет смысла создавать модель, включающую в себя время до Большого взрыва, поскольку все, что существовало ранее, не имеет наблюдаемых последствий в настоящем, и поэтому мы можем твердо придерживаться идеи, рассматривающей Большой взрыв как акт творения мира.
Любая модель хороша, если она:
1) простая (или «изящная»);
2) содержит мало произвольных или уточняющих элементов;
3) согласуется со всеми существующими наблюдениями и объясняет их;
4) дает подробные предсказания результатов будущих наблюдений, которые могут опровергнуть эту модель или доказать ее ложность, если предсказания, сделанные по этой модели, не подтверждаются.
Например, теория Аристотеля о том, что мир состоит из четырех элементов — земли, воздуха, огня и воды — и что объекты действуют так, чтобы выполнить свое предназначение, была изящна и не содержала уточняющих элементов. Но во многих случаях она не могла дать четких предсказаний, а если и давала, то эти предсказания не согласовывались с наблюдениями. Одно из таких предсказаний гласило, что более тяжелые предметы должны падать быстрее, поскольку их предназначение — падать. И похоже, никто до Галилея не счел нужным проверить это. Известна история о том, как он проверял это, бросая предметы различной массы с «падающей» Пизанской башни. Рассказ, скорее всего, недостоверный, а вот точно известно, что Галилей скатывал разные грузы по наклонной плоскости и заметил, что вопреки предсказанию Аристотеля они движутся с одинаковым ускорением.
Приведенные выше критерии, очевидно, субъективны. Например, изящность не так легко измерить, но она высоко ценится среди ученых, поскольку законы природы предполагают экономное сжатие множества частных случаев в одну простую формулу. Изящество относится к форме теории, но оно тесно связано с отсутствием в ней уточняемых элементов, поскольку теория, напичканная выдуманными для каждого конкретного случая факторами, не очень изящна. Перефразируя Эйнштейна, можно сказать: теория должна быть простой настолько, насколько это возможно, но не проще. Птолемей добавил к круговым орбитам небесных тел эпициклы, чтобы его модель точно описывала их движение. Для еще большей точности можно было бы добавить эпициклы к эпициклам или даже еще один ряд эпициклов. Хотя дополнительное усложнение может сделать модель более точной, ученые рассматривают модель, которая искажена, чтобы соответствовать определенному набору наблюдений, как неудовлетворительную, более похожую на каталог данных, чем на теорию, которая может воплотить какой-нибудь полезный принцип.
В главе 5 мы увидим, что многие не считают изящной «стандартную модель», описывающую взаимодействие природных элементарных частиц. Эта модель гораздо удачнее, чем Птолемеевы эпициклы. Она предсказала существование нескольких новых частиц, прежде чем они были замечены, и с большой точностью описала будущие результаты многих экспериментов, проводившихся в течение нескольких десятилетий. Но она содержит десятки уточняющих параметров, значения которых должны устанавливаться, чтобы соответствовать наблюдениям, вместо того чтобы эти значения были определены самой теорией.
Что касается четвертого признака «хорошей» модели (способность предсказывать результаты будущих наблюдений), то, с одной стороны, ученых всегда впечатляет, когда новые ошеломительные предсказания оказываются точными, но, с другой стороны, когда модель оказывается неприемлемой, их обычная реакция — заявить, что эксперимент не удался. И даже если это не так, люди все равно зачастую не отказываются от модели, а пытаются сохранить ее путем модификаций. Хотя физики поистине упрямы в своих попытках спасти теорию, которой они восхищаются, попытки преобразовать ее доходят порой до того, что изменения становятся надуманными или громоздкими, а значит, лишенными изящества.
Если изменения, требующиеся для подгонки теории к новым наблюдениям, становятся чересчур изощренными, это сигнал о необходимости новой модели. Примером старой модели, не устоявшей под давлением новых наблюдений, служит идея о статичной Вселенной. В 1920-х годах большинство физиков полагали, что Вселенная статична, то есть не изменяется в размерах. Затем, в 1929 году, американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953) опубликовал свои наблюдения, показывающие, что Вселенная расширяется. Но Хаббл не наблюдал это расширение непосредственно. Он наблюдал свет, испускаемый галактиками. Этот свет обладает специфической характеристикой (спектром), связанной с составом каждой галактики. Если галактика движется относительно нас, этот спектр изменяется на известную величину. Поэтому, анализируя спектры удаленных галактик, Хаббл смог определить скорости их движения. Он полагал, что удаляющихся галактик будет обнаружено столько же, сколько и приближающихся. Но вместо этого оказалось, что почти все галактики удаляются от нас и чем дальше они находятся, тем быстрее движутся. Хаббл пришел к выводу, что Вселенная расширяется, но другие ученые, стараясь придерживаться прежней модели, пытались объяснить его наблюдения в контексте статичной Вселенной. Например, физик из Калифорнийского технологического института Фриц Цвикки (1898–1974) предположил, что по некой пока неизвестной причине свет, проходя огромные расстояния, может постепенно терять свою энергию. Это снижение энергии соответствовало бы изменению его спектра, что, по мнению Цвикки, могло повлиять на наблюдения Хаббла. Но и по прошествии десятилетий после исследований Хаббла многие ученые продолжали придерживаться теории о статичном состоянии Вселенной. Однако наиболее естественной моделью была та, которую предложил Хаббл, — модель расширяющейся Вселенной, она и стала общепринятой.
В поисках законов, которые управляют Вселенной, ученые рассмотрели ряд теорий, или моделей, таких как теория четырех элементов, модель Птолемея, теория флогистона, теория Большого взрыва и т. д. С каждой теорией, или моделью, наши представления о реальности и фундаментальных компонентах Вселенной менялись. Возьмем, к примеру, теорию света. Ньютон полагал, что свет состоит из мелких частиц, или корпускул. Это объясняло, почему свет распространяется прямолинейно, и этим же Ньютон воспользовался для объяснения того, почему свет, переходя из одной среды в другую, например из воздуха в стекло или же из воздуха в воду, изгибается, или преломляется.
Однако корпускулярная теория не могла объяснить явление, которое было обнаружено самим же Ньютоном и называется сегодня кольцами Ньютона. Поместите линзу на плоскую отражающую пластину и осветите ее монохромным светом, например от натриевой лампы. Глядя сверху вниз, вы увидите чередование светлых и темных колец с центром в точке соприкосновения линзы с поверхностью пластины. Этому явлению трудно дать объяснение в рамках корпускулярной теории света, но его можно объяснить с помощью волновой теории.
Рефракция. Ньютонова модель света могла объяснить, почему свет преломляется, переходя из одной среды в другую, но не давала объяснения явлению, которое теперь мы называем кольцами Ньютона.
