Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики
Шрифт:
Отдельные современные теории я мог бы отнести к категории ПОЛЕЗНЫХ. Две из них не понадобятся нам в дальнейшем, но упомянуть о них все же стоит. Первая — это кварковая модель субатомных частиц Гелл-Манна — Цвейга. Субатомные частицы называются адронами. К этой группе относятся протоны, нейтроны, мезоны и т. д., образующие атомные ядра, — или, точнее, «сильно взаимодействующие» частицы. Возникшая (позднее) детальная теория их взаимодействия получила название квантовой хромодинамики , или КХД . Основная идея КХД состоит в том, что все адроны «построены» из составных частей, называемых «кварками», которые взаимодействуют между собой в соответствии с некоторым обобщением теории Максвелла (известным под названием «теории Янга — Миллса»). Во-вторых, существует теория (предложенная Глэшоу, Саламом, Уордом и Вайнбергом — также на основе теории Янга — Миллса), объединяющая электромагнитное взаимодействие со «слабым» взаимодействием, ответственным за радиоактивный распад. Эта теория включает в себя описание так называемых лептонов(электронов, мюонов, нейтрино, а также W – и Z – частиц—
Наконец, существует еще одна теория (другого типа), которая, на мой взгляд, относится по меньшей мере к категории ПОЛЕЗНЫХ теорий. Я говорю о теории Большого взрыва , в результате которого родилась Вселенная [100] ). Эта теория будет играть важную роль в главах 7 и 8.
На этом, как мне кажется, заканчивается список теорий — претендентов на звание ПОЛЕЗНЫХ [101] . Существует много идей, пользующихся в настоящее время (или пользовавшихся до недавнего времени) широкой популярностью. Среди них «теории Калуцы — Клейна»; «суперсимметрия» (или «супергравитация»); все еще чрезвычайно модные теории «струн» (или «суперструн»); а также теории великого объединения , равно как и отдельные порожденные ими идеи, например, «инфляционный сценарий» (см. примечание 13 на с. 282). Все они, по моему твердому убеждению, относятся к категории ПРОБНЫХ теорий (см. работы Барроу [1988], Клоса [1983], Дэвиса и Брауна [1988], Сквайерса [1985]). Важное различие между категориями ПОЛЕЗНЫХ и ПРОБНЫХ теорий состоит в том, что последние не подкреплены надежными экспериментальными данными [102] . Это отнюдь не означает, что какая-нибудь из них не может неожиданно возвыситься до разряда ПОЛЕЗНОЙ и даже ПРЕВОСХОДНОЙ. Некоторые из упомянутых выше теорий содержат оригинальные и весьма многообещающие идеи, пока, правда, не получившие достаточного экспериментального подтверждения. Категория ПРОБНЫХ теорий охватывает весьма широкий диапазон. Не исключено, что концепции, встречающиеся в отдельных теориях подобного рода, несут в себе зерна новых достижений в понимании природы — но в то же время другие из них на удивление неправдоподобны и вполне могут ввести своих сторонников в заблуждение. (У меня было искушение отщепить от категории почтенных ПРОБНЫХ теорий еще одну, четвертую категорию, и назвать ее, скажем, ТУПИКОВЫЕ теории, но по зрелом размышлении я отказался от этого намерения, поскольку не хочу потерять половину своих друзей!)
100
Имеется в ввду так называемая «стандартная модель» Большого взрыва. Существует много вариантов теории Большого взрыва, наиболее известный из которых носит имя «инфляционный сценарий». По моему твердому убеждению, инфляционный сценарий относится к категории ПРОБНЫХ теорий.
101
Существует величественная область давно устоявшегося физического знания, а именно — термодинамикаКарно, Максвелла, Кельвина, Больцмана и других ученых, которую я не собираюсь здесь классифицировать. Мое решение может показаться некоторым из читателей странным, но я поступаю так умышленно. По причинам, которые, возможно, станут яснее в главе 7, я не испытывал ни малейшего желания заносить термодинамику в том виде, какой она имеет в настоящее время, в категорию истинно ПРЕВОСХОДНЫХ теорий. Но многие физики, вероятно, сочли бы кощунством, осмелься я назвать это великолепное собрание таких красивых фундаментальных идей унизительным термином ПОЛЕЗНЫЕ! Я считаю, что термодинамика в ее обычном понимании — как дисциплины, оперирующей только среднимивеличинами и ничего не говорящая о поведении отдельных компонентов системы; науки, отчасти сочетающей в себе следствия из других теорий, — не является в полном смысле физической теорией (конечно, с моей точки зрения, которую я распространяю и на математический базис статистической механики). Пользуясь случаем, я все же приношу читателям извинения за то, что оставил в стороне эту проблему и предпочел оставить вопрос классификации в стороне. Далее в главе 7 я высказываю уверенность в том, что между термодинамикой и теми идеями, которые относятся к модели Большого взрыва и которые я ранее охарактеризовал как ПОЛЕЗНЫЕ, существует тесная взаимосвязь. Убежден, что в результате правильного объединения этих двух теорий (пока еще, увы, не реализованного), должна возникнуть новая теория, которую с полным основанием можно будет отнести к категории ПРЕВОСХОДНЫХ. К этому вопросу нам еще придется вернуться в дальнейшем.
102
Мои коллеги спросили меня, в какую категорию я поместил бы «теорию твисторов» — глубоко разработанный круг идей и процедур, с которыми я был связан на протяжении долгих лет. Поскольку она представляет собой альтернативную теорию окружающего мира, ее нельзя охарактеризовать иначе, как ПРОБНУЮ; но, по большому счету, она является просто способом математической записи давно созданных физических теорий.
Не следует удивляться тому, что основные ПРЕВОСХОДНЫЕ теории возникли довольно давно. Вероятно, на протяжении истории таких теорий существовало гораздо больше, но некоторые из них со временем перешли в категорию ПРОБНЫХ и в большинстве своем оказались забыты. Аналогичным образом, в категорию ПОЛЕЗНЫХ теорий попадало немало таких, которые впоследствии теряли свою актуальность, тогда как некоторые поглощались другими — ставшими впоследствии ПРЕВОСХОДНЫМИ теориями. Рассмотрим несколько примеров. До того, как Коперник, Кеплер и Ньютон создали новую, более совершенную теорию, существовала детально разработанная теория планетных движений, родившаяся в Древней Греции и получившая название птолемеевой системы. Согласно этой модели, движения планет описывались сложной суперпозицией круговых движений. Птолемеева система была весьма эффективной с точки зрения предсказаний, но с каждым разом становилась все сложнее и сложнее по мере повышения
В последующих разделах и главах я не буду останавливаться на обсуждении существующих ныне теориях, которые всего лишь ПОЛЕЗНЫ или ПРОБНЫ. Достаточно сказать о тех теориях, которые ПРЕВОСХОДНЫ. Можно считать удачей, что у нас есть такие теории, позволяющие постигать этот мир во всей его полноте. Но в конечном счете, мы должны попытаться решить вопрос о том, достаточно ли могущественны даже эти теории, чтобы описывать функционирование нашего мозга и работу разума. В свое время я еще вернусь к этой теме — а пока мы рассмотрим ПРЕВОСХОДНЫЕ теории в том виде, в котором они нам сегодня известны, и попробуем оценить степень их применимости к интересующим нас задачам.
Евклидова геометрия
Евклидова геометрия — это, попросту говоря, тот самый предмет, который мы изучаем в школе как «геометрию». Однако я подозреваю, что большинство людей склонны считать евклидову геометрию областью математики, а вовсе не физической Теорией. Разумеется, евклидова геометрия является в том числеи математикой — но все же это не единственная возможная математическая геометрия. Та геометрия, которую придумал Евклид, очень точно описывает физическое пространство нашего с вами мира, но это — не логически необходимое следствие, а всего лишь (почти точно) наблюдаемое свойство физического мира.
Действительно, существует другая геометрия, называемая геометрией Лобачевского(или гиперболической) [103] которая во многом похожа на евклидову геометрию, но имеет при этом и некоторые интригующие отличия. Напомним, в частности, что в евклидовой геометрии сумма углов треугольника всегда равна 180°. В геометрии Лобачевского сумма углов треугольника всегда меньше 180°, причем отличие суммы углов от 180° пропорционально площади треугольника (рис. 5.1).
103
Николай Иванович Лобачевский 1792–1856) один из нескольких математиков, независимо друг от друга открывших этот тип геометрии (альтернативный геометрии Евклида). Имена остальных: Карл Фридрих Гаусс 1777–1855), Фердинанд Швейкард и Янош Бойяи.
Рис. 5.1.а) Треугольник в евклидовом пространстве,
б) Треугольник в пространстве Лобачевского
Замечательный голландский художник Мориц К. Эшер создал несколько мозаик, очень тонко и точно передающих суть геометрии Лобачевского. Одна из этих мозаик представлена на рис. 5.2.
Рис. 5.2.Пространство Лобачевского, изображенное
Эшером в виде мозаики. (Все рыбы — как черные,
так и белые — должны считаться конгруэнтными.)
Каждую черную рыбу, в соответствии с геометрией Лобачевского, следует считать имеющей такой же размер и такую же форму, что и любая другая черная рыба. Для белых рыб — аналогично. Геометрия Лобачевского не может быть абсолютно точно воспроизведена на евклидовой плоскости, отсюда — кажущееся скопление рыб вблизи круговой границы. Представьте себе, что вы находитесь внутри мозаики где-то у этой окружности. Тогда геометрия Лобачевского должна для вас выглядеть точно такой же, как если бы находились в центре или в каком-то другом месте мозаики. То, что выглядит как «граница» мозаики в этом евклидовом представлении, в действительности находится «на бесконечности» в геометрии Лобачевского. Граничную окружность вообще не следует рассматривать как часть пространства Лобачевского — равно как и никакую часть евклидовой области, лежащую за ее пределами. (Это остроумное представление плоскости Лобачевского принадлежит Пуанкаре. Его достоинство заключается в том, что форма очень маленьких фигур при этом не искажается — изменяются только их размеры.) «Прямыми» в геометрии Лобачевского (вдоль которых расположены некоторые из рыб на мозаике Эшера) служат окружности, пересекающие круговую границу под прямыми углами.
Вполне может быть, что геометрия Лобачевского действительно выполняется для нашего мира в космологических масштабах (см. главу 7, «Космология и Большой взрыв»). Но коэффициент пропорциональности между дефицитом углов и площадью треугольника в этом случае чрезвычайномал, а для обычных масштабов евклидова геометрия дает превосходное приближение геометрии Лобачевского. В самом деле, как мы увидим далее в этой главе, общая теория относительности Эйнштейна говорит нам о том, что геометрия нашего мира действительноотклоняется от евклидовой геометрии (хотя и «нерегулярно», т. е. более сложно, чем геометрия Лобачевского) на масштабах, значительно уступающих космологическим, хотя по обычным меркам нашей повседневной жизни эти отклонения всеравно будут ничтожно малы.
Тот факт, что евклидова геометрия, казалось бы, столь точно отражает структуру «пространства» нашего мира, вводил нас (и наших предшественников!) в заблуждение, заставляя думать, будто евклидова геометрия является логической необходимостью или будто мы обладаем внутренней интуитивной способностью априоридогадаться, что евклидова геометрия должнабыть применима к миру, в котором мы живем. (Так утверждал даже великий философ Иммануил Кант.) Реальный разрыв с евклидовой геометрией наступил только с созданием Эйнштейном общей теории относительности, появившейся на свет много лет спустя. И тогда стало понятно, что евклидова геометрия вовсе не является логической необходимостью, и что ее весьма точное (хотя и далеко не абсолютное) соответствие структуре нашего физического пространства — не более, чем результат эмпирических наблюдений!Евклидова геометрия действительно была (ПРЕВОСХОДНОЙ) физическойтеорией. И это в дополнение к тому, что евклидова геометрия — изящный и логически непротиворечивый раздел чистой математики.