Машина знаний. Как неразумные идеи создали современную науку - Майкл Стревенс

живого организма провоцировать радикальные изменения в его физиологии позволяет естественному отбору легко задавать многочисленные альтернативы исходному плану строения тела, альтернативы, которые часто бывают крайне странными, но иногда оказываются исключительно выгодными. Многие биологи-эволюционисты полагают, что если бы такой способности не существовало, сложные формы жизни не смогли бы развиться вовсе. Земле пришлось бы довольствоваться радиоляриями и полипами, а то и вовсе простейшими одноклеточными.

Прозрения Томпсона были основаны, как он с гордостью признавал, в первую очередь на его благоговении перед красотой и правильными формами. Таким образом, культивируемая правильным образом и применяемая в нужном месте забота о математической простоте и элегантности вполне способна принести логичное объяснение в кажущийся хаос биологической науки.

Итак, 1:0 в пользу красоты. Однако, чтобы в полной мере склонить чашу весов в пользу способности эстетического чувства находить истину – и, следовательно, твердо доказать иррациональность презрения железного правила к красоте, логическое уродство, которое сделало современную науку столь сложной и труднопостижимой, – нам следует обратиться к физике.

«Гораздо важнее придать своим уравнениям красоту, чем привести их в соответствие с экспериментом», – писал английский физик-теоретик Пол Дирак. Красота – это признак того, что теория на правильном пути и что расхождение с экспериментом, вероятно, «связано с незначительными деталями… которые будут устранены в дальнейшем». Красота – это маяк; истина – путь, который указывает этот маяк. Эйнштейн, по словам физика Юджина Вигнера, рассуждал в том же духе: «Единственные физические теории, которые мы готовы принять, – это теории красивые». Похожие мысли можно встретить в популярных работах таких физиков, как Субраманьян Чандрасекар, Дэвид Дойч и Фрэнк Вильчек.

Исторические данные свидетельствуют о том, что они наткнулись на некую важную закономерность. Очевидно, что чувство прекрасного Ньютона не только привлекло его к тайнам древнего знания, но и указало ему путь к простым и строгим расчетам, лежащим в основе кривых, по которым движутся пушечные ядра, планеты и кометы, тем самым раскрывая секреты всемирного тяготения. До него эстетическим рассуждением пользовались Коперник и Галилей, бывшие одними из величайших мыслителей науки, а после Ньютона должно было прийти еще много других. Действительно, в истории физических наук слишком много случаев успешного эстетического рассуждения, чтобы перечислять их даже вскользь, поэтому я ограничусь одним важным эпизодом из новейшей истории физики элементарных частиц. Это укрепит наши аргументы в пользу эффективности красивых теорий, а следовательно, против рациональности железного правила.

История наша начинается в 1931 году, с того, что Джеймс Чедвик подтвердил существование нейтрона. После этого открытия природа основных элементов, составляющих любую материю, казалась наконец установленной. Атомы состояли из ядер, сложенных из протонов и нейтронов, окруженных электронами, а электромагнитное излучение состояло из фотонов, и таким образом существовало всего четыре вида элементарных частиц. Монах Бертферт был бы рад увидеть, что правило четырех обеспечивает плавный переход от античной и средневековой метафизики к физике ХХ века.

Или не вполне плавный: на тот момент предполагалось, что существует еще две дополнительные, пока не открытые, частицы: пион, чья деятельность, как предполагалось, помогает удерживать элементы атомного ядра вместе, и нейтрино, маленькая загадочная частица, возникающая при определенном виде радиоактивного распада. Тем не менее даже Аристотель добавил в свою теорию пятый элемент – квинтэссенцию, из которой, как он предполагал, состоят небесные тела. Но тогда почему элементов не может быть шесть?

Но если бы на пятой и шестой элементарных частицах дело закончилось. В 1930-х –1940-х годах физики-ядерщики отправились на горные вершины Америки и Европы. Их цель состояла в том, чтобы подобраться как можно ближе к высокоэнергетическому излучению, проникающему в верхние слои атмосферы Земли из неизвестных источников в космосе, так называемым космическим лучам. Там их ожидало ошеломляющее зрелище. Когда космические лучи сталкивались с молекулами воздуха, то создавали нечто, чего никто никогда раньше не видел: совершенно новые частицы, такие как мюон, каон и таинственная лямбда.

Затем, с появлением и развитием сложных ускорителей частиц, таких как Космотрон в Брукхейвенской национальной лаборатории, расположенной в ста километрах к востоку от Нью-Йорка, путешествия в горы стали избыточными: странные частицы теперь можно было генерировать в пригородах Лонг-Айленда. Одновременно с этим все более чувствительные детекторы – например, пузырьковая камера, изобретенная в 1952 году Дональдом Глейзером, – делали эти частицы все более заметными. И продолжали появляться все новые виды частиц: кси, сигма, дельта, новые виды пионов и каонов, эта-мезон…

Разнообразие было столь же восхитительным, сколь и ошеломляющим, все больше напоминая изобилие тропических лесов, нежели предполагаемую основу Вселенной. Казалось, что какой-то очень странный биологический закон создает, как выразился Роберт Оппенгеймер, настоящий «зоопарк» частиц. Окажется ли коносамент для фундаментальных единиц реальности больше похожим на современную биологическую таксономию – например, на древо птиц, показанное на рисунке 10.7, – чем на реализацию концепции о четырех первоэлементах? Или кто-то найдет в этом «зоопарке» скрытый порядок и простоту?

Мюррей Гелл-Манн рос в Нью-Йорке, в нищете, в семье иммигрантов из Восточной Европы, которые так и не смогли до конца воплотить в жизнь американскую мечту. Уже в раннем возрасте его признали вундеркиндом. Он окончил школу гораздо быстрее своих сверстников и уже в 15 лет поступил в Йель. Шел 1944 год, и большая часть Йельского кампуса была отдана под военную подготовку. Археология и лингвистика были главными интересами Гелл-Манна в то время, но его суровый и требовательный отец настоял, чтобы сын изучал что-то практически полезное – если не инженерное дело, то хотя бы физику. И пока все вокруг были поглощены мировой войной и торжеством американского оружия, 15-летний подросток погрузился в тонкую гармонию мира природы.

Впереди его ждало множество далеко идущих открытий: благодаря своему чутью на скрытую красоту Гелл-Манн стал одним из самых выдающихся физиков ХХ века. Он получил докторскую степень в 1951 году, как раз в тот момент, когда ворота «зоопарка» частиц распахнулись и физики застыли в ужасе при виде многообразия новых и неожиданных форм материи. Вскоре после этого Гелл-Манн задумался о новом свойстве материи, которое он назвал «странностью». Так, частица может обладать не только определенным электрическим зарядом, но и определенной степенью странности, положительной или отрицательной. Протоны и нейтроны вообще не обладают странностями – или, точнее, их «число странностей» равно нулю. Но некоторые из новых частиц, начиная с лямбды, были действительно странными. («Число странности» лямбда-частицы равно –1.) Когда частицы сталкиваются или распадаются, превращаясь в другие частицы, странность «приблизительно сохраняется»: сумма их чисел странности имеет сильную тенденцию оставаться неизменной до и после столкновения, как если бы любая совокупность материи содержала фиксированное количество странностей, которое можно легко перемещать от частицы к частице, а вот увеличить или уменьшить –