Иэн Стюарт - Истина и красота. Всемирная история симметрии.

• Название: Истина и красота. Всемирная история симметрии.
• Автор: Иэн Стюарт
• Жанр: Математика

На протяжении многих веков симметрия оставалась ключевым понятием для художников, архитекторов и музыкантов, однако в XX веке ее глубинный смысл оценили также физики и математики. Именно симметрия сегодня лежит в основе таких фундаментальных физических и космологических теорий, как теория относительности, квантовая механика и теория струн. Начиная с древнего Вавилона и заканчивая самыми передовыми рубежами современной науки Иэн Стюарт, британский математик с мировым именем, прослеживает пути изучения симметрии и открытия ее основополагающих законов. Эксцентричный Джироламо Кардано — игрок и забияка эпохи Возрождения, первым решивший кубическое уравнение, гениальный невротик и революционер-неудачник Эварист Галуа, в одиночку создавший теорию групп, горький пьяница Уильям Гамильтон, нацарапавший свое величайшее открытие на каменной кладке моста, и, конечно же, великий Альберт Эйнштейн — судьбы этих неординарных людей и блестящих ученых служат тем эффектным фоном, на котором разворачивается один из самых захватывающих сюжетов в истории науки.

---

Два змея, тем не менее, пребывали в этом раю для физиков. Один змей был «философским»: две указанные выше теории, каждая из которых добилась большого успеха сама по себе, не согласовывались друг с другом. Содержавшиеся в них предположения о структуре физического мира противоречили друг другу. Общая теория относительности является детерминистской — в ее уравнениях нет места случайности. Квантовая же теория содержит внутреннюю неопределенность, выражаемую принципом неопределенности Гайзенберга, и многие события, такие как распад радиоактивного атома, происходят случайным образом. Другой змей был «физическим»: квантовая в своей основе теория элементарных частиц оставляла нерешенным целый ряд важных вопросов — таких как вопрос о том, почему частицы обладают именно такими массами и почему, собственно, они вообще имеют массу[76].

Многие физики полагают, что оба змея должны быть изгнаны из райских кущ одним смелым действием — объединением теории относительности и квантовой теории. Другими словами, созданием новой логически непротиворечивой теории, которая переходила бы в теорию относительности на больших масштабах и в квантовую теорию на малых. Именно этим и занимался в течение всей второй половины своей жизни Эйнштейн — и потерпел неудачу. С типичной для них скромностью физики назвали это объединение Теорией Всего. Надежда состояла в том, что всю физику удастся свести к некоторой системе уравнений, к тому же достаточно простой, чтобы она поместилась на футболке.

И это не такая уж безумная идея. Вне всякого сомнения, можно напечатать на футболке уравнения Максвелла, и лично у меня как раз сейчас есть такая — с уравнениями специальной теории относительности и заодно с надписью «Да будет Свет» на иврите. Приятель купил мне ее в тель-авивском аэропорту. Если говорить чуть серьезнее, то основные объединительные усилия с виду не сходных друг с другом физических теорий уже увенчались успехом. Теория Максвелла объединяет магнетизм и электричество — которые некогда воспринимались как совершенно различные природные явления, питаемые полностью различными природными силами — в единое явление, электромагнетизм. Слово, возможно, слегка неказистое, но оно точно выражает процесс объединения. Более современным примером, несколько менее известным за пределами физического сообщества, является электрослабая теория, объединяющая электромагнетизм со слабыми ядерными силами (см. ниже). Следующее объединение с сильными ядерными силами оставило в стороне лишь одну вещь — гравитацию.

Ввиду этой истории представляется вполне разумным надеяться, что эту «последнюю» из имеющихся в природе сил удастся поставить на одну доску со всей остальной физикой. К сожалению, гравитация обладает рядом столь «нескладных» свойств, что такое объединение очень сложно.

Возможно, никакую Теорию Всего сформулировать невозможно. Хотя до сих пор математические уравнения — «законы природы» — с большим успехом объясняли наш мир, нет, тем не менее, гарантии, что этот процесс продолжится. Возможно, вселенная несколько менее математична, чем это представляется физикам.

Математические теории могут давать очень хорошее приближение к природе, но при этом не очевидно, что всякий раздел математики будет точно отображать реальность. Если нет, то тогда лоскутное одеяло взаимно не согласованных теорий будет давать вполне работоспособные приближения, пригодные в различных областях, — и при этом может не найтись единого управляющего всем этим принципа, который соединял бы в себе все эти приближения и работал всюду.

Разумеется, речь не идет о тривиальном списке правил типа «если — то»: «Если скорости малы, а масштабы велики, то используйте ньютоновскую механику; если скорости велики и масштабы велики, то используйте специальную теорию относительности» и т.д. Такая «наструганная» теория ужас как уродлива; если красота есть истина, то теория из кусков может быть только ложной. Но, быть может, в основе своей вселенная все-таки уродлива. Возможно, подобной «основы» нет вовсе. Мысли такого сорта не относятся к разряду самых приятных, но кто мы такие, чтобы подходить к космосу с нашей доморощенной эстетикой?

Взгляд, согласно которому Теория Всего должна существовать, заставляет вспомнить монотеистическую религию, в которой по мере течения тысячелетий различные компании богов и богинь, каждый со своей собственной областью юрисдикции, уступили место одному богу, в юрисдикции которого находится, строго говоря, все. Этот процесс обычно воспринимается как прогресс, но в нем есть что-то близкое стандартной философской ошибке, известной как «уравнивание неизвестностей», когда одна и та же причина объявляется ответственной за все необъяснимые явления. Как выразился писатель-фантаст Айзек Азимов, если вас беспокоят летающие тарелки, телепатия и привидения, то очевидное объяснение состоит в том, что летающими тарелками управляют сидящие в них телепатические привидения. «Объяснения», подобные этому, создают ложное ощущение прогресса — у нас было три таинственных явления, которые требовалось объяснить, а стало одно. Но новое загадочное явление соединяет в себе три отдельных, каждое из которых вполне может иметь свое собственное, целиком отличное от других объяснение. Соединяя их вместе, мы упускаем из виду эту возможность.

Когда в качестве объяснения Солнца вы предлагаете солнце-бога, а для объяснения дождя — дождь-бога, вы можете наделить каждого из понравившихся вам богов своими собственными специальными свойствами. Но если вы утверждаете, что и Солнце, и дождь управляются одним и тем же богом, то может оказаться, что вы втискиваете две различные вещи в одну и ту же смирительную рубашку. Так что, в некотором роде, фундаментальная физика до определенной степени является фундаменталистской физикой. Уравнения на футболке заменяют собой имманентное божество, а развертывание следствий из этих уравнений заменяет божественное вмешательство в повседневную жизнь.

Несмотря на все эти оговорки, сердцем я заодно с физическими фундаменталистами. Я хотел бы увидеть Теорию Всего и был бы в восторге, если бы она оказалась математической, прекрасной и истинной. Полагаю, что и люди религиозные высказали бы свое одобрение, поскольку они могли бы интерпретировать ее как доказательство наличия изысканного вкуса и развитости мышления их божества.

Сегодняшние поиски Теории Всего уходят корнями в первые попытки объединить электромагнетизм и общую теорию относительности, в то время заключавшие в себе всю известную физику. Эта попытка была предпринята всего через четырнадцать лет после первой статьи Эйнштейна о специальной теории относительности, восемь лет после его предсказания, что гравитация отклоняет лучи света, и через четыре года после того, как законченная общая теория относительности была представлена замершему в напряженном ожидании миру. Попытка эта была столь хороша, что вполне могла бы перенаправить развитие физики на совершенно новый путь, однако, к несчастью для ее автора, его работа совпала по времени с тем, что направило развитие физики на новый путь, — с квантовой механикой. В последовавшей затем «золотой лихорадке» физики потеряли интерес к объединенным теориям поля; мир квантов обещал куда более богатый урожай и гораздо более высокие шансы совершить значительное открытие. Потребовалось шестьдесят лет, чтобы идея, лежавшая в основе той первой попытки, вернулась к жизни.

Все началось в Кенигсберге, в то время — столице немецкой провинции Восточная Пруссия. Кенигсберг — ныне Калининград, административный центр российского анклава, лежащего между Польшей и Литвой. Необычное влияние этого города на развитие математики началось с головоломки. Через Кенигсберг протекает река Прегель (ныне — Преголя), и семь мостов некогда соединяли два берега реки друг с другом и с двумя островами[77]. Существует ли такой путь, который позволил бы жителям Кенигсберга пройти по всем мостам, одному за другим, но при этом не прошагать ни по одному мосту дважды? Леонард Эйлер разработал общую теорию таких задач (из которой следовало, что в данном случае ответ — «нет»), тем самым сделав один из первых шагов в области математики, сейчас называемой топологией. Топология занимается геометрическими свойствами, которые остаются неизменными, когда форма подвергается изгибам, скручиванию, сдавливанию, сплющиванию и всякого рода деформации, лишь бы она оставалась непрерывной — запрещается только делать разрывы и разрезы и склейки.

Топология стала одной из наиболее мощных областей в современной математике со множеством применений в физике. Она сообщает нам о возможных формах многомерных пространств, что становится все более важным как в космологии, так и в физике частиц. В космологии желательно знать форму пространства-времени на максимально больших масштабах, т.е. на масштабах всей вселенной. В физике частиц желательно знать форму пространства и времени на малых масштабах. Можно подумать, что ответ очевиден, однако физики более так не считают. И их сомнения также родились в Кенигсберге.