О физике без лирики
Текст: Алексей Кириллов | 2018-04-28 | Фото: | 557
Проникнуть в тайны природы человек пытался с древнейших времён. О том, насколько глубоким стало наше понимание физических процессов, и каким образом физика может развиваться в дальнейшем, мы пообщались с известным российским учёным Андреем Леонидовым.

– В физике, как, впрочем, и в любой другой науке, знания и идеи систематизируются в виде разнообразных теорий. Но в обывательском представлении понятие «теория» ассоциируется, скорее, с чем-то недоказанным и неточным. К примеру, очень часто можно услышать что-то типа: «Теория относительности – это всего лишь теория, а как оно есть на самом деле, учёные точно не знают». Скажите, когда учёные говорят о какой-то теории, то как мы всё-таки должны воспринимать такую информацию – как реальное знание или же как нечто, ещё требующее проверки и доказательств?

В физике теория – это подтверждённая система представлений. Конечно, какие-то разделы теории могут относиться к ещё недостаточно изученным предметам или явлениям, но для физики как науки подтверждение теории экспериментами является обязательным. Это очень строгий протокол и, скажем, упомянутая вами теория Эйнштейна подтверждена всесторонне, причём и специальная теория относительности, и общая. В этом смысле сомнений, что теория является правильной в тех пространственных, временных и энергетических рамках, в которых она изучалась, ни у кого нет. И это никак не связано с её логической стройностью или красотой (хотя, надо сказать, что большая часть правильных теорий такими свойствами, действительно, обладают) – она просто правильная. Другой пример – это то, что в физике элементарных частиц сейчас называется «Стандартной моделью». В своё время, пока все необходимые эксперименты ещё не были проведены, у модели Вайнберга-Салама (которая в результате оказалась правильной), существовали альтернативы, причём в чём-то даже более экономные и красивые. Но природа решила по-другому.

То есть в идеале теория – это система представлений, которая подтверждена экспериментально в чётко очерченных этими экспериментами рамках. Но что касается более гуманитарных областей, таких как экономика или социология, то там дела обстоят пока намного хуже, поскольку сами эксперименты либо сложны, либо их нет вовсе, так как экспериментом является наша действительность в целом, жизнь целой страны (для макроэкономики) или жизнь всего мира (для международной макроэкономики). Здесь дистанция между теорией и отчётливым высказыванием её справедливости достаточно велика – но это ещё во многом и потому, что эти науки просто находятся в соответствующей фазе своего развития. Когда представления только формируются, они, естественно, носят какой-то неотчётливый, гипотетический характер. Та же физика, которая является, наверное, самой успешной из современных наук в смысле глубины соответствия теории и наблюдаемых явлений, в средние века была алхимией, у которой эти представления были гораздо менее отчётливы и превратились в научные представления, о которых мы сейчас знаем, путём мучительного труда, в котором сошлись размышления теоретиков, таких как Лейбниц, Ньютон и других, и экспериментальные наблюдения. Когда теория встречается с экспериментом, то явления, которые происходят – это как раз устранение лишнего, как в известном рецепте о том, как сделать идеальную скульптуру – нужно лишь отсечь от камня лишнее. Это лишнее всегда присутствует на тех стадиях развития теоретических представлений, когда они не подтверждены жизнью или контролируемым экспериментом.

Но здесь нужно отметить ещё одну особенность физики: мир, который она изучает, сравнительно статичен. Да, Вселенная расширяется, меняется её геометрия, но в нашей повседневной жизни и в физических экспериментах этого мы вообще не замечаем. Если бы физический мир менялся в той же пропорции, в которой он меняется в экономической жизни, мы бы имели дело с другой реальностью и с другого характера теоретическими представлениями.


Rogelio A. Galaviz C. / flickr

Альберт Эйнштейн – физик-теоретик, один из основателей современной теоретической физики. Лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года за теорию фотоэлектрического эффекта. За знаменитую теорию относительности Нобелевской премии ему так и не дали.

– А широко ли распространены случаи, когда определённые представления существуют достаточно длительное время, разделяются всеми или практически всеми учёными, но в итоге не подтверждаются экспериментально?

Как пример – это теория, предполагающая существование эфира. Уверенным в её справедливости в XVIII – начале XIX века должен был быть любой нормальный образованный человек. Самым распространённым волновым явлением, доступным человеческому разуму, был звук, и все были уверены, что свет распространяется так же, а значит должна существовать и среда, благодаря которой это происходит. Эта гипотеза была опровергнута знаменитыми экспериментами Майкельсона и Морли, проведёнными на рубеже XIX и XX веков.

В целом же неправильных теорий было огромное количество, но это разнообразие обеспечило качество научного процесса. Невозможно себе представить процесс постижения мира, в котором сразу на каждом шаге будет находиться правильный ответ – у вас неизбежно появятся конкурирующие теории и будет побеждать та, которая подтверждается экспериментально. Но это если вам повезло и вы – физик, то есть у вас есть институциональная среда, которая договорилась о том, что именно так и проверяются теории. Но в той же экономике, как вы понимаете, всё гораздо сложнее, и мы имеем дело с теориями, которые объявляются правильными по причинам, совершенно не связанным с тем, что они разумны или описывают действительность, а просто потому, что они удобны для тех или иных групп влияния.

– Способность сформулировать какую-то новую теорию – это что-то из области гениальности либо этому всё-таки можно как-то научиться?

Нет, научиться нельзя, это природная предрасположенность. Двигателем здесь является аномальный интерес, который некоторые люди испытывают к поиску ответа на вопросы. Это может привести к неудаче, но в некоторых случаях, очень редких, но становящихся публичными, такой аномальный интерес и гигантский труд, который при этом затрачивается, если повезёт, реализуется в озарении.

Люди одарены по-разному, и даже внутри науки, внутри научного восприятия одарённость, скажем, физика и математика – это просто полярно противоположные вещи. Физика – наука фактически гуманитарная, и осознание неточности, неаксиоматичности того, что вы делаете – фундамент этого знания о мире. Математика же принципиально не связана с проверяемостью, её скрепами является логическая согласованность, а не окружающий мир. И в этом смысле это знание всегда точное. А физику я бы даже сравнил с какими-то другими творческими вещами – например, с музыкой. Музыка возникает довольно сложным техническим образом, но физика гораздо ближе к музыке, чем математика, несмотря на то что она пользуется математическим аппаратом. Математический аппарат для физики – это то же, что ноты, композиция и гармония для музыки.


CERN

4 июля 2012 года, в результате исследований на Большом адронном коллайдере, была обнаружена новая частица с массой около 125-126 ГэВ/c². Имелись веские основания считать, что эта частица является бозоном Хиггса. В марте 2013 года эти предположения были подтверждены.

– Опираясь на Теорию большого взрыва, Георгий Гамов теоретически предсказал существование реликтового излучения, а Питер Хиггс, основываясь на положениях Стандартной модели – новую элементарную частицу – бозон, названный впоследствии его именем. Предсказательная способность – это свойство любой правильной теории?

Это немножко философский вопрос, но для меня ответ на него – «да». Если речь идёт о научной теории, то она должна быть верифицируема, а значит должна предлагать и способы установления своей правильности. Кстати, бозон Хиггса – очень хороший пример такой конструкции. Замечательной статье, написанной Стивеном Вайнбергом в 1967 году, который положил начало этой ветви исследований, в прошлом году исполнилось 50 лет, а окончательное подтверждение существования бозона мы получили лишь в 2013 году. Видите, сколько времени иногда требуется для того, чтобы подтвердить отчётливо сформулированную гипотезу, в данном случае о том, как выглядит теория элементарных частиц, в частности – теория электрослабых взаимодействий.


NASA

В 1948 году, основываясь на созданной ими теории Большого взрыва, Георгий Гамов, Ральф Альфер и Роберт Герман предсказали существование реликтового излучения – равномерно заполняющего Вселенную теплового излучения, возникшего в эпоху первичной рекомбинации водорода. На фото: 50-футовая рупорно-параболическая антенна в Холмдейле, США, с помощью которой в 1964 году Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон обнаружили реликтовое излучение.

– Кстати, а что-то принципиально изменилось с экспериментальным обнаружением бозона Хиггса, помимо того, что теперь у нас есть объективное знание, что бозон действительно существует? Может ли человек его как-то использовать, допустим, при разработке ракетных двигателей, которые доставят его к Марсу?

Кардинально поменялось вот что: до этого всё-таки было неизвестно, каким образом происходит такое явление как спонтанное нарушение симметрии, и в общем-то оставались надежды, что это что-то более интересное, чем описанное в 1967-м году Вайнбергом. Но нет – ничего не произошло, имеющаяся модель описывает всё замечательно и правильно.

Но никакого практического применения у этих вещей быть не может, потому что теоретическое знание о том, что протон состоит из кварков, невозможно превратить ни в какое практическое знание. А вообще, человечество прошло масштаб практического применения и практической важности фундаментальных знаний где-то на границе XIX и XX веков и в особенности в середине XX века, с созданием квантовой механики и теории относительности – где-то в этом месте практическая польза от фундаментальной науки начала иссякать. Да, исследования шли глубже, но польза для человечества здесь, скорее, косвенная, чем прямая.

– А, например, те же квантовые компьютеры, про которые сегодня говорят достаточно много… Это тоже наследие прошлых открытий?

Идея квантовых компьютеров была впервые предложена Ричардом Фейнманом в начале 80-х годов XX века. Это интересно с точки зрения того, что законы квантовой механики можно использовать для организации вычислений, но чем-то новым это не является. Практическая реализация – это другое дело, но это – технологические вопросы, а с точки зрения фундаментальных представлений о веществе квантовый компьютер – это обычная задача квантовой механики, в которой нет никакой загадки.

Физика – вполне устоявшаяся наука, но практические приложения в ней, с моей точки зрения, носят, скорее, инженерный, а не научный характер. Да, есть очень сложные, красивые задачи, но они всё-таки инженерные. Графен – замечательная идея, но она не требует изобретения какого-то нового теоретического инструментария – нужно просто понять, как это правильно описать в рамках фундаментально уже известных вещей. Или, допустим, плазма – чудесное явление, но описание плазмы не требует новых физических принципов.

– Во времена Ньютона, наверное, даже предположить не могли, что через какое-то время появится квантовая физика… А есть ли сейчас основания полагать, что физика вновь находится на грани какого-то нового фундаментального переосмысления, или же как наука она постепенно подходит к своему пределу?

Основания физики, а именно – квантовая механика и специальная теория относительности, имеющие отношение к повседневной жизни и повседневным технологиям, настолько хорошо проверены, то есть их справедливость установлена с такой точностью и до таких мельчайших подробностей, до таких малых расстояний и малых временных промежутков, что надеяться на возникновение чего-то нового и практически значимого, по-моему, не стоит. Хотя я, конечно, могу и ошибаться. Но сегодняшняя ситуация в любом случае очень сильно отличается от той, которая была в XIX веке, когда всем казалось, что здание физики полностью построено, а разобраться осталось только с «облачками». Но эти «облачка» были необъяснёнными экспериментами, сейчас же необъяснённых экспериментов уже нет. Вся работа коллайдера – это прямолинейное подтверждение справедливости того, что простейшая версия работает идеально. Это очень грустно с точки зрения перспектив этой конкретной области как науки, но что делать…

Но то же самое происходит и в любой другой научной области, кроме, может быть, математики. Но уже и в математике, чтобы получить по-настоящему новый результат, нужно на 6 лет запереться на ферме, отстранившись от всего. Но мне кажется, что в современном мире есть область, в которой наука действительно имеет научные цели, загадки – и это наше общество. Спрос на научные знания здесь совершенно не удовлетворён, и то понимание общества, которое есть сейчас, пониманием назвать трудно. Неслучайно нынешние студенты (я имею в виду технически ориентированных студентов физтеха, с которыми имею дело) гораздо сильнее откликаются на Computer Science, на приложения к реальности – для них очевидно, где сфокусирован этот интерес. Это новые технологии получения информации об обществе, новые технологии управления этой информацией, её анализа и её приложения, например, в рекламе. В этом месте, как мне кажется, научный нерв и находится.

А для физики такой нерв – это 40-50-60-е годы, когда действительно стало понятно, что краеугольные основания – квантовая механика и специальная теория относительности – правильны, и их нужно как-то объединить. Как раз в это время как синтез возникает квантовая теория поля, открывающая возможности для новых предсказаний и открытий. И действительно, открытия следовали одно за одним на протяжении сравнительно небольшого промежутка времени. Сейчас этот путь пройден.


Koogid / wikimedia

Одним из создателей квантовой механики считается австрийский физик-теоретик, Нобелевский лауреат по физике за 1933 год Эрвин Шрёдингер. На фото: фигурка кота в саду, расположенном рядом с домом, где когда-то жил знаменитый физик. В зависимости от освещения эта фигурка может создавать иллюзию вполне живого и здорового животного. Как нетрудно догадаться, олицетворяет эта фигурка Кота Шрёдингера – мысленный эксперимент, сформулированный физиком, но известный далеко не только учёным.

– Но какие тогда научные проблемы будут стоять перед физиками в ближайшем будущем? Речь здесь может идти только о каких-то мелких задачах в рамках уточнения существующих теорий?

Нет, не обязательно, что мелких. Есть и крупные задачи. Ведь чем точнее будут эксперименты, которые изучают Вселенную, тем больше мы о ней узнаем. Но сегодня нам кажется, что этот предел возможного гораздо ближе, чем казалось раньше, просто потому, что знаем мы уже очень много. В физике элементарных частиц проверки тончайших явлений вне рамок Стандартной модели потребуют совершенно фантастических усилий со стороны человечества, причём не только и даже не столько технических типа строительства новых ускорителей, но и гигантской вычислительной работы. Потребуются вычисления очень тонких эффектов, для чего нужны будут сотни-тысячи людей, готовых этим заниматься. Будет продолжаться деятельность и в области космологии и космофизики, и всякие интересные вещи наверняка будут и там – мы больше узнаем о чёрных дырах, тёмной материи или тёмной энергии. Но в целом здание физики, я думаю, уже действительно построено.

– Я правильно услышал, что интерес студентов физтеха сегодня лежит и в области наук об обществе?

Не только. Есть и инженерные задачи, и оптимизационные, но в целом да – современный физтех проводит большое количество исследований по вещам, связанным с обществом. Кроме того, я вижу, чем подрабатывают мои дипломники – часто это то, что называется Machine Learning или всевозможный контекстный анализ. Изучение общества происходит при помощи новых технологий, которые теоретически принадлежат к Computer Science, но на самом деле уже являются и частью повседневной жизни. В них смешаны самые разные знания – математические, физические, экономические и многие другие. Криптовалюты… Искусственный интеллект… Это не просто революционные изменения в технологиях, это гораздо более сложные процессы.

В этих науках всё очень живо и быстро развивается. Последние лет 6-7 я сам больше занимаюсь задачами, связанными как раз с этим. Несделанного такое количество, что вы в почти любой задаче имеете шанс выйти на что-то содержательное. Вызовы тоже большие, поскольку технологии воздействия на общество стали практически совершенными, и если ваше понимание того, к чему приводит использование этих мер, будет отставать, то могут возникнуть существенные системные риски. Представьте, что вы заходите в магазин электроники, и пока идёте 10 метров до продавца – ваш психофизический портрет уже составлен, вы пробиты по социальным сетям, а у него на экране уже появился перечень вопросов, который он задаст лично вам. Если вы об этом не знаете, тогда понятно, что вы для него – лёгкая добыча. А если знаете, то вы – лёгкая добыча для страха, потому что вы будете этого бояться, так как не будете понимать, что с вами происходит, и насколько вас обманывают. Это и есть тот риск, о котором я говорю.

Но вот если мы будем ясно себе представлять, что происходит, тогда и реагировать на использование такого рода технологий станем спокойно, и эти технологии будут нашими помощниками, а не источником эксклюзивной наживы на нашем профиле. Но для этого это научное знание должно быть отчётливым – тогда его можно будет донести до публики. Пока оно такого характера не имеет. И эти не очень отчётливые знания в руках чрезвычайно продвинутых экспертов являются инструментом, в частности – инструментом бизнеса, инструментом влияния на наши умы.

Общения с физиками сейчас активно ищут люди из индустрии, и не только из неё. К примеру, у меня есть несколько совместных работ с экономистом из МВФ, который вышел на меня, как человека, который занимается сетевыми явлениями в экономике (у меня есть лаборатория, специализирующаяся на подобных вопросах). Есть большая потребность в упорядочении представлений об оптимальном производстве – это очень глубокие задачи, и некоторые из них очень похожи на те, о которых физики могут эффективно размышлять. Физики, конечно, интересуются расширением своей области за счёт междисциплинарных исследований, но гораздо более глубокий процесс состоит не в применении того, что вы уже выучили, не в поиске явлений, к которым можно применить то, что вы знаете, а в том, чтобы применить свою голову к задачам, которые совершенно необязательно решаются знакомыми вам средствами. И физики к этому приспособлены. Хотя есть и замечательные прикладные математики, которые тоже очень успешно решают прикладные задачи.


Lance Bellers / 123rf

Успешный опыт размышления о мире, приобретённый физиками, оказался сильно востребован в науках об обществе. И физики начинают активно включаться в изучение этой отрасли.

– Некоторое время назад мне на глаза попались аналитические данные по современным стартапам, из которых следовало, что среди тех, кто запускает успешные проекты, много людей, получивших именно физическое образование. С чем, по-вашему, это связано? Что помогает физикам добиваться успеха вне рамок своей науки?

Когда вы сталкиваетесь с новой задачей, ваше умение осознать эту задачу в контролируемых терминах является решающим фактором. Когда вы открываете стартап – вы хотите сделать что-то новое в этом изменчивом, сложном и непонятном мире. Чем более адекватно вы для себя формулируете это в рамках схемы с какими-то логическими связями, которой вы потом можете оперировать, чем лучше вы можете объяснить, зачем вы это делаете, тем больше шансов на успех. Если у вас уже есть внутренний опыт решения не именно этих задач, а просто анализа конструкций такого рода, то у вас, конечно, есть преимущество.

Физика – это, по сути, то же самое: она смотрит на окружающий мир и пытается выразить его в контролируемых терминах математических теорий, и успешность этих описаний – во многом интуитивный акт. Каждый раз, когда вы решаете задачу даже из задачника по физике, вы на самом деле отбрасываете множество вещей, которые не важны – и это искусство. В физике этот способ постижения мира был доведён до совершенства и позволил узнать так много, что физика стала самым простым путём к тому, чтобы быть эффективным в размышлениях о мире. С этим всё и связано. Выпускники физтеха и многие выпускники физфака тоже вполне успешны. В советские времена физтех вообще был чем-то совершенно особенным, хотя и сейчас студенты (я преподаю на кафедре дискретной математики) ничуть не слабее советских. Думают они о других вещах, но это очень сильные ребята, и я не сомневаюсь, что они тоже будут успешными.

Sergey Nivens / 123rf

– И полученное физическое образование – их хороший спутник…

Я совершенно не хочу сказать, что, допустим, биологическое образование хуже, чем образование физика, просто в биологии дистанция от размышления до доказанного больше, потому что биология пока не находится в той точке, в которой находится физика. Физика проще, поэтому физика – первая количественная наука такого рода, с которой человечество более-менее справилось. Другие – на очереди. Как мне кажется, именно поэтому физика должна являться составной частью образования вообще, в том числе для экономистов, социологов – для людей, которые анализируют общество, не потому, что законы физики работают там буквально, а потому что вот этот успешный опыт размышления о мире, доказанный, существует только в физике. И такой опыт, несомненно, будет способствовать более эффективной организации современного процесса научного познания.


Подписаться на новыe материалы можно здесь:  Фейсбук   ВКонтакте


закрыть

Подписывайтесь на нас в Facebook и Вконтакте