Сутки спустя в бесплатном архиве статей и препринтов arXiv.org значится десять новых статей о дифотонной аномалии.
ВКРАТЦЕ
• У физиков-теоретиков вагон претензий к обнаруженным пока законам природы. Особенно не жалуют они неестественные числа.
• Естественность использовалась в качестве руководящего принципа при разработке теорий как минимум с XVI столетия. Иногда этот принцип срабатывал, иногда нет.
• Естественность – не математический критерий. Это математически сформулированное требование красоты. Отсутствие каких-либо успехов на счету естественности не оправдывает ее использования даже как основанной на опыте.
Глава 5
Идеальные теории
В которой я ищу пределы науки, но обнаруживаю, что воображение физиков-теоретиков поистине неисчерпаемо. Я лечу в Остин, позволяю Стивену Вайнбергу говорить сквозь меня и осознаю, сколько же мы делаем, просто чтобы убежать от скуки.
Удиви меня, но не слишком
Возможно, вас удивит утверждение, что у Баха очень много общего с «Битлз».
В 1975 году Ричард Восс и Джон Кларк, два физика из Беркли, изучали шум электронных устройств 69. Шутки ради они применили потом тот же метод к разным типам музыки. Каково же было их удивление, когда выяснилось, что разные типы музыки – западная и восточная, классическая, блюз, джаз – все обладают общим свойством: хотя высота и громкость звуков сами по себе в разных стилях музыки различаются, количественно различия всегда сглаживаются с обращением частоты (это называют «1/f-спектром»).
У 1/f-спектра нет – теоретически – никакой типичной временно́й шкалы, вопреки ожиданию, согласно которому разные ритм и метр характеризуют различные типы музыки. Исследование, таким образом, выявило, что звуковые паттерны в музыке обладают самоподобием, или «корреляциями», и это справедливо для всех временны́х масштабов. Белый шум имел бы постоянный спектр и никакой корреляции между колебаниями. Случайный сдвиг мелодии между близкими звуками имел бы сильную корреляцию и 1/f2-спектр. Где-то посередине, как показали Восс и Кларк, располагаются Бах, «Битлз» и все остальное, что вы слышите по радио
[55].
На интуитивном уровне это означает, что музыка балансирует на границе между предсказуемостью и непредсказуемостью. Когда мы включаем радио, то хотим, чтобы нас удивили, но не слишком сильно. Вполне очевидно, что поп-музыка строится по довольно простым рецептам, поэтому-то вы можете подпевать, когда повторяются припевы.
Думаю, это наблюдение насчет музыки распространяется и на другие области человеческой деятельности. В искусстве, литературе, науке мы тоже хотим, чтобы нас удивляли, но не чересчур. В научных статьях также нужно соблюдать золотую середину между старым и новым, хотя тут провести расчеты сложнее, чем со звуковыми узорами. Новизна – это прекрасно, но только если не требует слишком многого от воспринимающих ее. Настоящие поп-звезды, как и поп-звезды науки, – это те, кто существует на самом острие, кто заставляет нас хлопать себя по лбу, бормоча: «Как же я сам до этого не додумался?!»
Однако в науке, в отличие от искусства, на идеях ничего не заканчивается, они не замкнуты сами на себя, а призваны описывать окружающий мир. В науке новые данные могут вынуждать нас к внесению изменений. Но что, если новых данных нет? Тогда мы переизобретаем хиты прошлого, более или менее очевидными способами. И новые теории в физике, как новые эстрадные песни, остаются вариациями на уже знакомые темы.
* * *
В теоретической физике популярные в наши дни темы – это простота, естественность и элегантность. Этим понятиям, строго говоря, никогда не дают точного определения, поэтому и я не буду пытаться его сформулировать, а просто расскажу вам, как они используются.
Простота
Сделать что-то «проще» – значит сделать с меньшими затратами. Но, как уже когда-то заметил Эйнштейн, теория должна быть «настолько простой, насколько это возможно, но не проще». Требование простоты само по себе не может быть использовано для разработки теории, поскольку есть много теорий более простых, чем те, что описывают нашу Вселенную. Вообще, нет ни одной уважительной причины, по которой нашей Вселенной стоило бы существовать или содержать в себе вещество. Или вот вам менее нигилистический пример: квантовать гравитацию существенно проще в двух измерениях, но мы, увы, населяем не такую вселенную.
Простота, таким образом, имеет сугубо относительную ценность. Мы можем искать теорию, которая была бы проще, чем какая-то другая, но не можем начать конструировать теорию, основываясь исключительно на принципе простоты.
Почти излишне говорить, что из двух теорий, описывающих одно и то же, ученые в конце концов выбирают ту, что проще, ибо кому же хочется делать свою жизнь сложнее, чем необходимо? В прошлом иногда бывали задержки с принятием такого решения, когда простота вступала в конфликт с другими заветными идеалами, такими как красота движения планет по круговым орбитам. Но лень всегда побеждала, по крайней мере пока.
Почти излишне – поскольку простота непрерывно играет в перетягивание каната с точностью. Дополнительные параметры (а значит, меньшая простота) обычно позволяют лучше описать данные, и мы можем провести статистическую оценку, чтобы выяснить, оправдывает ли улучшенное соответствие наблюдательным данным введение этих параметров. Можно спорить насчет плюсов и минусов разных оценок, но для наших целей достаточно сказать, что поисками расширенных теорий, пусть и противоречащих принципу простоты, занимается особая область науки – феноменология
[56].
Объективно измерять простоту помогает так называемая вычислительная сложность, которая определяется длиной кода компьютерной программы, производящей вычисления
[57]. Вычислительная сложность, в принципе, измерима для любой теории, которая может быть переведена в компьютерный код. Сюда относятся и теории из современной физики. Но сами мы не компьютеры, так что вычислительная сложность – не та оценка, которую мы в действительности используем. Человеческое понимание простоты преимущественно основывается на легкости в применении, а она, в свою очередь, тесно связана с нашей способностью уловить идею и удерживать ее в голове, раскручивая, до тех пор, пока не родится научная статья.
