Стивен Вайнберг
Всё ещё неизвестная Вселенная

Всё ещё неизвестная Вселенная
Стивен Вайнберг

Десятки лет один из самых известных ученых нашего времени заставляет общество задуматься о фундаментальных законах природы и о неразрывной связи науки и социума. В своей новой книге «Всё ещё неизвестная Вселенная» Стивен Вайнберг освещает широкий круг вопросов: от космологических проблем он переходит к социальным, от астрономии, квантовой механики и теории науки – к ограниченности современного знания, искусству научных открытий и пользе ошибок.

Лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг делится своими взглядами на захватывающие фундаментальные вопросы физики и устройства Вселенной. При этом ему удается не ограничиваться узкими дисциплинарными рамками и не прятаться от политических тем, среди которых нецелесообразность пилотируемых космических полетов, проблемы социального неравенства и важность поддержки большой науки.

Стивен Вайнберг

Всё ещё неизвестная Вселенная

Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Переводчик Сергей Чернин

Научный редактор Дмитрий Баюк

Редактор Антон Никольский

Руководитель проекта И. Серёгина

Корректоры Е. Чудинова, С. Чупахина

Компьютерная верстка А. Фоминов

Дизайн обложки А. Бондаренко

© Steven Weinberg, 2018

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2020

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

* * *

Эта книга издана в рамках программы «Книжные проекты Дмитрия Зимина» и продолжает серию «Библиотека «Династия». Дмитрий Борисович Зимин – основатель компании «Вымпелком» (Beeline), фонда некоммерческих программ «Династия» и фонда «Московское время».

Программа «Книжные проекты Дмитрия Зимина» объединяет три проекта, хорошо знакомые читательской аудитории: издание научно-популярных переводных книг «Библиотека «Династия», издательское направление фонда «Московское время» и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы «Просветитель».

Подробную информацию о «Книжных проектах Дмитрия Зимина» вы найдете на сайте ziminbookprojects.ru (http://ziminbookprojects.ru/).

Предисловие

Вы держите в руках третий сборник моих очерков для широкого круга читателей, опубликованный издательством Harvard University Press. Часть очерков посвящена таким спорным вопросам, как вред неравенства, бессмысленность программ пилотируемых космических полетов, ошибочность некоторых подходов к истории науки, опасность глобального потепления и важность поддержки общественных благ, к числу которых относится и фундаментальная наука. Как и раньше, в своей работе я придерживаюсь рационалистической, реалистической, редукционистской и совершенно светской позиции.

В части очерков я попытался осветить, не прибегая к строгой терминологии, некоторые вопросы современной физики и космологии, а также историю их развития. Понятия, смысл которых может быть не очевиден из текста, разъясняются в сносках. Боюсь, мои постоянные читатели обнаружат, что некоторые научные темы кочуют из одного очерка в другой, например нарушение симметрии, слабые и сильные ядерные взаимодействия, ранняя Вселенная и Мультивселенная. С этим ничего не поделать – сегодня эти вопросы занимают умы многих физиков.

Как и материалы предыдущих сборников – Facing Up и Lake Views, большая часть представленных здесь очерков была опубликована в журнале The New York Review of Books, в газетах и других периодических изданиях. Главы 20, 23 и 25 содержат не издававшиеся ранее тексты моих кратких выступлений на университетских церемониях вручения дипломов. Текст главы 24 также раньше нигде не публиковался, поскольку все, кто его прочел, высказывали свое несогласие с изложенными в нем мыслями, но мне нравится этот очерк, поэтому я включил его в сборник.

В этой книге я нарушил правило хронологического упорядочивания очерков, которого придерживался в своих предыдущих сборниках. Здесь я сгруппировал тексты в четыре больших раздела и разместил главы в хронологическом порядке в пределах каждого раздела. Однако не стоит воспринимать эти разделы слишком серьезно. Обсуждая исторические вопросы в первом разделе, мне приходится объяснять некоторые вопросы физики и астрономии, а во втором разделе мне не удалось рассказать о физике и астрономии, не высказав мнения об их истории. Как наука, так и ее история появляются то тут, то там в третьем и четвертом разделах, посвященных общественным и личным интересам.

Я в огромном долгу перед редакторами, которые помогли мне донести эти очерки до широкого круга читателей. В частности, я благодарен Майклу Фишеру, предположившему что Harvard University Press может издать сборник моих очерков, я благодарен Джеффу Дину за отличный совет и за то, что он пролистал этот сборник до его публикации, а также я благодарен ушедшему от нас Роберту Сильверсу, который проявил огромное терпение и мастерство во время работы над улучшением текстов моих статей в The New York Review of Books. Я не упущу возможность выразить особую благодарность Луизе Вайнберг. В ущерб собственной работе она читала первые черновики статей, придумывала им названия, а также книгам Facing Up и «Объясняя мир»[1 - Вайнберг С. Объясняя мир. Истоки современной науки. – М.: Альпина нон-фикшн, 2018.] (To Explain the World), предложила использовать картину Гримшоу на обложке этого сборника и давала ценные советы по структурированию материала. Благодаря ее помощи удалось избавиться от «детских» ошибок и многих неясностей.

Судя по прошлому опыту, при моей продуктивности написание статей и подготовка материала для нового сборника занимает лет десять. Тем не менее я надеюсь, что этот сборник будет не последним. Но, учитывая статистические данные, возможно, сейчас самое подходящее для меня время дописать сюда слова благодарности читателям, которые много лет принимали мои мнения и трактовки и таким образом обеспечивали мне драгоценную связь с миром за пределом теоретической физики.

I

История науки

1

О пользе астрономии

Идея этого эссе родилась на лекции, которую я прочитал на борту парусного лайнера Sea Cloud во время круиза по Эгейскому морю. Пассажирами лайнера были преимущественно мои друзья из Остина, путешествующие по памятным местам Древнего мира. Следуя духу этого морского путешествия, я вызвался прочитать лекцию по теме, занимавшей последнее время мое внимание, – о греческой астрономии.

Спустя несколько лет я переработал материал той лекции для публичного выступления в Центре Гарри Рэнсома[2 - Центр Гарри Рэнсома – это архив, библиотека и музей в Техасском университете в Остине. Центр занимается сбором литературных и культурных памятников в США, Латинской Америке и Европе, способствует развитию искусства и гуманитарных наук. – Прим. пер.] в Остине. В Центре собрана великолепная коллекция литературных и художественных экспонатов, но не слишком много внимания уделяется науке. Тем не менее в сентябре 2009 г. Центру удалось организовать масштабную выставку под названием «Другие миры: Малоизвестные работы по астрономии», где были представлены среди прочих ранние издания трудов Коперника и Галилея. Будучи увлеченным любителем истории науки, я с радостью откликнулся на приглашение выступить с лекцией, которая могла бы привлечь внимание к этой выставке. Кроме того, я был рад представившейся возможности пройтись с критикой по расточительной программе пилотируемых космических полетов NASA – предмету моей особой ненависти.

Позже я отправил текстовую версию выступления в редакцию журнала The New York Review of Books. Через месяц, 22 октября 2009 г., статью опубликовали. Для сопроводительной иллюстрации была использована копия одного из экспонатов выставки Центра Гарри Рэнсома, а именно фронтиспис важнейшего сочинения Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира», на котором были изображены Аристотель, Птолемей и Коперник. Эссе, которое вы читаете, фактически, воспроизводит текст той статьи с небольшими исправлениями. Позже этот же текст лег в основу главы 6 моей книги «Объясняя мир».

Несколько лет назад я решил, что должен расширить свои познания в области истории науки, поэтому добровольно вызвался преподавать этот предмет. Работая над материалом своих лекций, я с огромным удивлением выяснил, что в Древнем мире астрономия достигла по современным меркам гораздо более высокого уровня точности и сложности, чем любая другая из естественных наук. Одна из очевидных причин для такого развития состоит в том, что астрономические явления гораздо проще и доступнее для изучения, чем те процессы, которые мы можем наблюдать на земной поверхности. Древние этого не знали, но и Земля, и Луна, и все планеты вращаются почти с постоянной скоростью и перемещаются по своим орбитам под воздействием одной-единственной доминирующей силы – гравитации. В результате наблюдаемые изменения в видимой части неба просты и периодичны: Луна размеренно прибывает и убывает; Солнце, Луна и звезды ежедневно совершают оборот вокруг полюса мира; и каждый год Солнце проходит через одни и те же созвездия зодиакального круга[3 - Конечно, днем звезд не видно, но некоторые из них появляются на небе сразу после заката, когда положение Солнца на небосводе еще можно определить.]. Даже располагая примитивными приборами, эти периодические изменения можно изучать, что и делалось с высокой степенью математической точности, гораздо большей, чем это было возможно в отношении процессов на Земле, таких как полет птицы или течение воды в реке.

Однако существовала и другая причина, благодаря которой астрономия стала столь выдающейся наукой в Древние и Средние века. Она приносила практическую пользу, в отличие от физики и биологии тех времен. Издревле люди использовали видимое движение Солнца как примитивные часы, календарь и компас. Эти функции стали выполняться точнее с появлением гномона (вероятно, первого научного прибора), изобретение которого одни приписывали Анаксимандру, другие – вавилонянам.

Гномон представляет собой прямой шест, вертикально установленный на горизонтальной площадке, открытой для солнечных лучей. В течение дня длина тени, отбрасываемой гномоном, меняется, и, если она минимальна, значит, наступил полдень. На широте Греции или Месопотамии полуденная тень гномона указывает на север, что позволяет точно разметить шкалу компаса на земле вокруг гномона. Наблюдая изо дня в день за полуденной тенью, можно отметить те дни, когда ее длина минимальна и максимальна. Так определяются точки летнего и зимнего солнцестояния. По длине полуденной тени в точке летнего солнцестояния рассчитывается географическая широта. Весной и летом тень на закате указывает немного южнее направления на восток, а осенью и зимой – немного севернее; когда тень на закате направлена строго на восток, это означает, что наступило весеннее или осеннее равноденствие[4 - Гномон отличается от солнечных часов тем, что столбик солнечных часов, устанавливается не вертикально, а под углом, который выбирается так, чтобы тень от столбика проходила приблизительно один и тот же суточный путь в течение всего года. Из-за этого солнечные часы полезны именно как часы, но не как календарь.].

Используя гномон в качестве календаря, афинский астроном Евктемон примерно в 430 г. до н. э. совершил открытие, беспокоившее астрономов на протяжении 2000 лет: продолжительность четырех времен года, начало и конец которых в точности определяются точками солнцестояния и равноденствия, немного отличается. Этот факт исключает вероятность того, что Солнце обращается вокруг Земли (или Земля вокруг Солнца) по кругу, в центре которого расположена Земля, с постоянной скоростью, поскольку в таком случае равноденствия и солнцестояния были бы равномерно распределены во времени. Это открытие стало одной из причин, по которой Гиппарх Никейский, величайший астроном Древнего мира, примерно в 150 г. до н. э. счел необходимым ввести идею эпициклов, согласно которой Солнце (и планеты) движутся по круговым орбитам, центры которых тоже движутся по окружностям вокруг Земли. Тремя веками позже Клавдий Птолемей подхватил и развил эту идею.

Даже Коперник, убежденный в том, что орбиты представляют собой окружности, сохранил верность идее эпициклов. И только в начале XVII в. Иоганн Кеплер наконец нашел объяснение явлению, для описания которого Гиппарх и Птолемей использовали эпициклы. Орбита Земли относительно Солнца представляет собой не окружность, а эллипс; Солнце находится не в центре эллипса, а в точке, называемой фокусом эллипса; скорость движения Земли по орбите не постоянна, она увеличивается по мере приближения к Солнцу и уменьшается с удалением от него.

У тех методов использования наблюдений за Солнцем, о которых я рассказал выше, есть свои ограничения. Определять время суток или направление по Солнцу можно, конечно, только в течение светового дня, а до появления гномона по годовому движению Солнца о времени года можно было судить довольно смутно. С самых древних времен этот недостаток восполняли звезды. Еще Гомер знал, что ночью компасом служат звезды. В поэме «Одиссея» Калипсо дает Одиссею указания, как отправиться от ее острова на восток к Итаке: нужно держать Медведицу по левую руку. Медведица – это, конечно, созвездие Большой Медведицы, расположенное около Северного полюса небосклона и на широте Средиземноморья никогда не скрывающееся за горизонтом (или, как у Гомера, «…лишь одна непричастна к купанью в волнах Океана»[5 - Пер. с древнегреч. В. Вересаева. – Прим. пер.]). Направляя корабль так, чтобы север оставался слева, Одиссей плыл бы на восток, в сторону своего дома[6 - Казалось бы, почему Калипсо не указала Одиссею как ориентир Полярную звезду? Причина в том, что во времена Гомера звезда Полярис, которая теперь называется Полярной, не находилась на Северном полюсе небосклона. Конечно, сама Полярная звезда с тех пор никуда не смещалась. Все дело в явлении, которое было открыто Гиппархом и получило название «предварение равноденствий». Говоря современным языком, ось вращения Земли не сохраняет свое положение в пространстве, но прецессирует, подобно оси вращающегося волчка, совершая полный оборот каждые 25 727 лет. О точности греческой астрономии можно судить по тому, что Гиппарх определил период прецессии равным 28 000 лет.].

К звездам обращались и как к календарю. По всей видимости, древние египтяне довольно рано научились предсказывать разлив Нила, наблюдая за восходом звезды Сириус. Примерно за 700 лет до н. э. древнегреческий поэт Гесиод в поэме «Труды и дни» советовал земледельцам браться за плуг, сверяясь с положением звездного скопления Плеяды на небе, а именно в тот день года, когда Плеяды появляются из-за горизонта прямо перед рассветом.

Наблюдения позволили многим древним цивилизациям заметить, что существует пять «звезд» (греки назвали их планетами), которые в течение года перемещаются по небу на фоне всех других звезд, при этом их путь повторяет видимый путь Солнца по зодиакальному поясу, но иногда они начинают двигаться вспять. Над задачей описания этого движения астрономы бились тысячелетиями, и в результате многовековых усилий появился труд Исаака Ньютона, который ознаменовал рождение современной физики.

Астрономия была полезна и важна не только потому, что концентрировала свое внимание на Солнце, звездах и планетах и таким образом способствовала совершению научных открытий. Практическое применение также имело важное значение для развития науки, ведь когда научная теория используется не просто для размышлений, а действительно применяется в жизни, это дает огромные преимущества. Если бы Калипсо посоветовала Одиссею держать по левую руку Луну, он бы плавал кругами и не смог вернуться домой. И наоборот, аристотелевская теория движения небесных тел пережила Средние века только потому, что она никогда не применялась на практике, иначе ее несостоятельность была бы обнаружена. Астрономы пытались применить планетарную систему Аристотеля (ее основы были заложены учеником Платона Евдоксом Книдским и его последователем Каллиппом Кизикским), согласно которой Солнце, Луна и планеты двигались по взаимосвязанным прозрачным сферам, в центре которых находится Земля, – теорию, согласующуюся (в отличие от теории эпициклов) с аристотелевской физикой.

И выяснилось, что эта теория не работает. Например, с ее помощью нельзя объяснить изменение во времени яркости планет – изменение, которое Птолемей совершенно правильно связал с тем, что расстояние между планетами и Землей непостоянно. Благодаря авторитету философии Аристотеля многие философы и физики (но лишь немногие практикующие астрономы) оставались верны его теории Солнечной системы на протяжении всей Античности и Средних веков, однако во времена Галилея всерьез ее уже никто не воспринимал. В своей работе «Диалог о двух главнейших системах мира» Галилео обсуждал системы Птолемея и Коперника, но не Аристотеля.

Существовала и еще одна причина, по которой практическая польза астрономии была важна для развития науки: благодаря ей научные исследования получали государственную поддержку. Первым отличным примером был Александрийский мусейон, основанный греческими царями Египта на заре эпохи эллинизма около 300 лет до н. э. Он не был музеем в современном смысле, то есть местом, куда можно прийти, чтобы поглазеть на древности и картины. Александрийский музей был исследовательским учреждением, посвященным музам, в том числе музе астрономии Урании. Цари Египта поддерживали исследовательские работы по созданию катапульт и других артиллерийских орудий, а также летающих снарядов, проводившиеся в Александрии, предположительно в Музее, но вместе с тем Музей финансировал работу Аристарха Самосского, определившего размеры Солнца и Луны и расстояния до них, и работу Эратосфена Киренского, измерившего длину большой окружности поверхности Земли. Музей стал первым в ряду исследовательских центров с государственной поддержкой, среди которых можно назвать Дом мудрости, основанный примерно в 830 г. халифом ал-Мамуном в Багдаде, и обсерваторию Тихо Браге Ураниборг на острове, пожалованном ученому датским королем Фредериком II в 1576 г. Традиция государственной поддержки научных исследований продолжается и в наши дни. Например, лаборатория ядерных исследований CERN и Фермилаб или космические телескопы, такие как Hubble, WMAP и Planck, запущенные в космос NASA и Европейским космическим агентством.

Фактически в прошлом астрономия выигрывала от того, что ее польза была слишком высоко оценена. Наследие вавилонской и эллинистической эпох – это не только серьезный корпус точных астрономических наблюдений (и еще, наверное, гномон), но и псевдонаука астрология. Птолемей был автором не только великого научного трактата «Альмагест», но еще и книги по астрологии «Тетрабиблос». В Средние века и в начале Нового времени поддержка работ по составлению астрономических таблиц царями во многом определялась тем, что эти таблицы использовались астрологами. Кажется, это противоречит тому, что я сказал о важности правильного применения научного знания, однако астрологи в основном использовали астрономию корректно, по крайней мере в том, что касается видимого движения планет и звезд, и они могли оправдывать неудачи в описании человеческих отношений туманностью формулировок своих предсказаний.

Практическая сторона астрономии увлекала не всех. В диалоге Платона «Государство» обсуждается среди прочего образование, которое должны получать будущие цари-философы. Сократ полагает, что астрономия обязательно должна изучаться, а его собеседник Главкон поспешно соглашается, поскольку «внимательные наблюдения за сменой времен года, месяцев и лет пригодны не только для земледелия и мореплавания, но не меньше и для руководства военными действиями»[7 - Цит. по: Платон. Соб. соч. в 4 т. Т. 3 / Под общ. ред. А.Ф. Лосева, В.Ф., Асмуса, А.А. Тахо-Годи; Пер. с древнегреч. – М.: Мысль, 1994.]. Бедный Главкон Сократ называет его наивным и объясняет, что настоящая причина для изучения астрономии состоит в том, что эта наука заставляет разум взирать ввысь и размышлять о вещах более величественных, чем наш будничный мир.

Основная область моих собственных исследований – физика элементарных частиц – не имеет прямого практического применения[8 - Я говорю о «прямом» применении, поскольку экспериментальные и теоретические работы в области физики элементарных частиц, которые раздвигают рамки современных знаний, иногда дают начала новым технологиям, имеющим важнейшее практическое применение. Замечательным примером является интернет – Всемирная паутина. Подобные примеры могут послужить веским аргументом при запросе государственной поддержки, но исследованиями мы занимаемся не из-за этого.], понятного всем (хотя сюрпризы всегда возможны), поэтому лично для меня невелика радость говорить о важности прикладного аспекта в историческом развитии науки. Сегодня в фундаментальной науке, вроде физики частиц, выработаны стандарты верификации, которые делают практическое применение необязательным для проверки нашей правоты (ну, или нам так кажется), и ученые работают без оглядки на практическое применение, только ради интеллектуального удовлетворения. Однако фундаментальным исследованиям по-прежнему приходится конкурировать за государственную поддержку с прикладными науками, такими как химия и биология, практическая польза которых очевидна.

К сожалению, аргументы в борьбе за поддержку астрономии, построенные на тех ее практических применениях, о которых я говорил выше, совершенно устарели. Теперь для отсчета времени мы используем атомные часы, настолько точные, что мы можем измерить малейшие изменения в длительности суток и года. Текущую дату мы узнаем, взглянув на наручные часы или экран компьютера. А недавно звезды потеряли свою значимость и для навигации.