Онлайн чтение книги Кратчайшая история времени
Глава 3. Природа научной теории

Прежде чем рассуждать о природе Вселенной и отвечать на вопросы о том, было ли у нее начало и есть ли конец, следует сформировать четкое представление, что такое научные теории. Будем придерживаться простого взгляда на теорию – как на модель Вселенной или какой-либо ее части в совокупности с набором правил, связывающих параметры этой модели с нашими наблюдениями. Она существует только в нашем сознании и никак иначе реально не существует (что бы это ни значило). Теория считается хорошей, если она удовлетворяет двум требованиям. Во-первых, она должна правильно описывать большой класс наблюдений на основе модели с небольшим числом произвольных элементов, и во-вторых, она должна позволять с достаточной определенностью предсказывать результаты будущих наблюдений. Например, Аристотель верил в теорию Эмпедокла, согласно которой все в мире состоит из четырех стихий: земли, воздуха, огня и воды. Это была довольно простая теория, но она не позволяла делать какие-либо точные предсказания. С другой стороны, теория тяготения Ньютона была основана на еще более простой модели, в которой тела притягиваются друг другу с силой, пропорциональной величине, которые он назвал массой, и обратно пропорциональной квадрату расстояния между телами. И при этом теория Ньютона позволяет с очень высокой точностью предсказывать движение Солнца, Луны и планет.

Любая физическая теория по природе своей временная в том смысле, что это всего лишь гипотеза, которую невозможно доказать. Сколько бы экспериментов ни подтверждали эту теорию, никогда нельзя быть уверенным, что очередной результат не будет ей противоречить. С другой стороны, для опровержения теории достаточно единственного наблюдения, результаты которого противоречат ее предсказаниям. Как отметил философ науки Карл Поппер, хорошая теория та, что позволяет делать множество предсказаний, которые в принципе могут быть опровергнуты или, как это называет Поппер, фальсифицированы наблюдением. С каждым новым экспериментом, результаты которого согласуются с предсказаниями теории, степень нашего доверия к ней повышается, а сама теория укрепляется. Однако первое же противоречащее теории наблюдение является основанием отвергнуть или существенным образом изменить ее.

Во всяком случае, так должно быть в идеале, хотя, конечно, всегда можно поставить под сомнение квалификацию наблюдателя или экспериментатора.

На практике новая теория часто представляет собой расширение предыдущей. Например, очень точные наблюдения планеты Меркурий выявили небольшие расхождения между наблюдаемым движением и предсказаниями ньютоновской теории тяготения. Движение планеты, рассчитанное согласно эйнштейновской общей теории относительности, слегка отличалось от того, что предсказывала ньютоновская теория. Согласие предсказанного теорией Эйнштейна движения Меркурия с наблюдениями при отсутствии такого согласия для ньютоновской теории стало одним из ключевых подтверждений новой теории. Тем не менее мы до сих пор продолжаем пользоваться ньютоновской теорией для большинства практических задач, потому что в ситуациях, с которыми нам обычно приходится сталкиваться, ее предсказания отличаются от предсказаний общей теории относительности очень незначительно. (К тому же ньютоновская теория гораздо проще теории Эйнштейна!)

Конечная цель науки состоит в создании единой теории для описания всей Вселенной. Но в реальности подход большинства ученых сводится к разделению проблемы на две части. Во-первых, есть законы, управляющие тем, как Вселенная меняется со временем. (Если мы знаем состояние Вселенной в определенный момент времени, то такие физические законы позволяют нам определить, как она будет выглядеть в любой другой момент.) Второй вопрос – это начальное состояние Вселенной. Некоторые считают, что наука должна заниматься только первой проблемой, а вопрос о начальном состоянии скорее относится к компетенции метафизики или религии. Они считают, что Бог, будучи всемогущим, мог создать Вселенную любым желаемым образом. Может быть это и так, но тогда Бог мог также заставить Вселенную развиваться совершенно произвольным образом. Однако похоже, что Богу было угодно, чтобы Вселенная развивалась в соответствии с четко определенными законами. И поэтому представляется вполне разумно предположить, что начальное состояние Вселенной тоже подчинялось четко определенным законам.

Создать теорию, сразу описывающую всю Вселенную, оказалось очень трудным делом. Вместо этого ученые разделили проблему на множество частей и построили множество частных теорий. Каждая из этих частных теорий описывает и предсказывает определенный ограниченный класс наблюдений, пренебрегая влиянием других факторов, или представляя их в виде простых наборов чисел. Вполне возможно, что этот подход в корне неверен. Если во Вселенной все фундаментальным образом взаимозависимо, то получить полное решение, исследуя проблему по частям в отрыве от целого, конечно же, невозможно. Тем не менее до сих пор этот подход обеспечивал прогресс науки. Опять классическим примером может служить теория тяготения Ньютона, согласно которой сила взаимного притяжения тел зависит только от присущей каждому из тел числовой характеристики – его массы – и совершенно не зависит от того, из чего же состоят эти тела. Таким образом, орбиты планет можно рассчитывать, не вдаваясь в подробности их структуры и внутреннего строения[2]Это не совсем так. Внутренним строением гравитирующих тел можно пренебречь, только если распределение плотности в них сферически симметрично (то есть зависит только от расстояния до центра тела). В случае планет и Солнца это строго говоря не так – эти тела как минимум слегка сплюснуты у полюсов. Например, сплюснутость Солнца – одна из причин прецессии перигелия Меркурия. У планет земной группы бывают и другие неоднородности распределения плотности. Исследования гравитационного поля Земли и других небесных тел составляют предмет отдельной области науки – гравиметрии..

Сейчас для описания Вселенной используют две фундаментальные частные теории – общую теорию относительности и квантовую механику. Это два великих интеллектуальных достижения первой половины XX века. Общая теория относительности описывает силу тяжести и крупномасштабную структуру Вселенной, то есть ее строение на масштабах от нескольких километров до миллиона миллиона миллиона миллионов (единица с двадцатью четырьмя нулями) километров – размера наблюдаемой Вселенной. С другой стороны, квантовая механика имеет дело с явлениями на чрезвычайно малых масштабах, такими как миллионная часть миллионной доли сантиметра. Но, к сожалению, эти две теории, как известно, несовместимы друг с другом и поэтому не могут обе быть правильными. Одним из главных направлений исследований в физике сегодня и главной темой этой книги является разработка новой теории, которая бы объединила в себе оба частных случая – квантовую теорию гравитации. Такой теории пока еще нет, и быть может, мы все еще далеки от ее создания, но нам уже известны многие из свойств, которыми она должна обладать. И как будет видно в последующих главах, мы уже знаем довольно много неизбежных предсказаний квантовой теории гравитации.

От атомов до галактик. В первой половине XX века физики, строя предположения об устройстве мира, попытались охватить не только привычный мир Исаака Ньютона: появились теории, описывающие предельно большие и предельно малые объекты

Так что если считать, что Вселенная устроена не произвольным образом, а подчиняется определенным законам, необходимо будет в конце концов объединить частные теории в одну всеобъемлющую теорию, которая сможет описать все во Вселенной. Но поиск такой полной единой теории связан с фундаментальным парадоксом. Описанное выше представление о научных теориях предполагает, что мы являемся разумными существами, которые свободны наблюдать Вселенную желаемым образом и делать логические выводы из увиденного. В такой схеме есть основания полагать, что мы можем продвигаться все ближе к законам, которым подчиняется наша Вселенная. Но если бы полная объединенная теория действительно существовала, то она, скорее всего, также определяла бы и сами наши действия, то есть в том числе и результат нашего поиска! И почему же из нее должно следовать, что мы на основании полученных данных придем к правильным выводам? А не будет ли из теории следовать, что мы придем к ошибочным выводам? Или вообще не получим никаких выводов?

Единственный способ решить эту проблему основан на дарвиновском принципе естественного отбора. Идея заключается в том, что особи в любой популяции самовоспроизводящихся организмов будут неизбежно различаться по своему генетическому материалу и воспитанию. А это значит, что некоторые особи смогут лучше, чем другие, делать правильные выводы об окружающем их мире и действовать соответствующим образом. Они будут с большей вероятностью выживать и воспроизводиться, поэтому их образ поведения и мысли станут преобладающими. Конечно, в прошлом интеллект и научные открытия не один раз становились преимуществом для выживания. Не совсем ясно, так ли это до сих пор: ведь наши научные открытия вполне могут полностью уничтожить всех нас, и даже если этого не произойдет, всеобъемлющая единая теория может и не играть особо важной роли для наших шансов на выживание. Однако если Вселенная эволюционирует закономерным образом, то можно ожидать, что данные нам естественным отбором разумные способности также проявятся в нашем поиске всеобъемлющей единой теории и поэтому не приведут нас к неправильным выводам.

Поскольку уже имеющихся частных теорий достаточно для точных предсказаний во всех ситуациях, кроме самых экстремальных, поиск окончательной теории Вселенной трудно обосновать чисто практическими соображениями. (Заметим, однако, что аналогичные доводы можно было высказать и в отношении теории относительности и квантовой механики, а ведь благодаря этим теориям мы овладели ядерной энергией и совершили революцию в микроэлектронике.) Так что от построения полной единой теории особого проку для выживания нас как вида может и не быть, да и на нашем образе жизни это может никак не сказаться. Но уже на заре цивилизации люди не хотели довольствоваться восприятием мира как набора несвязанных и необъяснимых событий и явлений. Мы стремились к пониманию лежащего в основе мироздания порядка. И сегодня нам хочется понять, почему мы здесь и откуда мы родом. Глубокое стремление человечества к знаниям – достаточное оправдание для наших продолжающихся поисков, и наша цель – это не больше и не меньше, чем полное описание Вселенной, в которой мы живем.