Читаем без скачивания О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний - Маркус дю Сотой

Я должен признать, что, даже имея в своем распоряжении математический аппарат, на разработку которого я потратил многие годы, я не уверен, что действительно понимаю, что такое кварки. Я провожу целые месяцы за изучением книг по физике элементарных частиц, таких как «Квантовая механика и частицы природы»[49] Энтони Садбери, и конспектов лекций оксфордских курсов по симметрии и физике элементарных частиц. И вот, сидя тут в окружении всех этих историй о внутреннем устройстве моей игральной кости, я понемногу начинаю впадать в отчаяние. Того, чего я все еще не знаю, так много: интегралы по путям, описывающие будущее частиц, внутреннее устройство уравнений Клейна – Гордона, точный смысл диаграмм Фейнмана, которые физики с такой легкостью рисуют на доске… Я с завистью смотрю на своего сына, который только начинает изучать физику. У него будет время погрузиться в этот мир, узнать все это так же близко, как я знаю область своей работы.

То же и с виолончелью. Я взрослый человек и хочу играть сюиты Баха сейчас, а не через десять лет. Но обучение трубе заняло у меня годы, и только медленная, постепенная, настойчивая учеба может вывести меня на тот уровень, на котором я смогу играть эти сюиты. По крайней мере, в этом месяце мне наконец удалось сдать экзамены за третий класс. Я сам удивился, как я нервничал. Смычок трясся у меня в руках. И хотя вокруг меня были сплошные одиннадцатилетки, ждавшие своего экзамена по блок-флейте за первый класс, чувство успеха все равно было очень приятным.

Я знаю, что, как и в случае с виолончелью, если я проведу достаточно долгое время в мире физики элементарных частиц, у меня есть надежда узнать кое-что из того, чем мои коллеги с физического факультета в соседнем корпусе живут изо дня в день. Меня пугает сознание того, что мне не хватит времени узнать все. Но даже те физики, которые с такой завидной для меня легкостью играют с нашим современным уровнем знаний, признаю́т, что никогда не смогут точно знать, что знают всё.

Ковбои и кварки

Чтобы узнать, думают ли специалисты в области физики элементарных частиц, что известная нам сегодня кварковая головоломка может быть составлена из еще более мелких кусочков, я договорился о встрече с одной из тех, кто открыл один из последних фрагментов этой головоломки. Мелисса Франклин, ставшая сейчас профессором в Гарварде, была одним из участников группы, которая обнаружила t-кварк в эксперименте, проведенном в Фермилаб[50]. В противоположность распространенному мнению открытие частицы – это не момент озарения, а долгий и медленный процесс. Но Франклин считает, что так даже лучше: «Если бы это был просто “бум!”, было бы неинтересно. Тратишь 15 лет на строительство машины, а потом вдруг бум! – и все кончено? Ужас». Сбор данных, начатый в 1994 г., занял около года, и только в 1995-м исследовательская группа решила, что получено достаточно доказательств, чтобы уверенно подтвердить открытие этой частицы, предсказанной математиками.

Франклин определенно находится с экспериментальной, а не с теоретической стороны границы, разделяющей физиков. Она предпочитает работать дрелью, а не карандашом и участвовала в сооружении детектора в Фермилаб с начала и до конца.

Мы оба выступали с докладами на Римском фестивале науки, посвященном теме непознаваемого, поэтому договорились встретиться в холле той довольно странной гостиницы, оформленной по мотивам игры в поло, в которой мы жили. Поскольку Франклин расхаживает у себя на работе в ковбойских сапогах, я предположил, что ей, может быть, уютнее находиться в этой гостинице, покрытой изображениями лошадей, чем мне.

Однако ее появление было чрезвычайно драматичным: первым делом она упала с лестницы, ведущей в холл. Отряхнувшись, она как ни в чем не бывало подошла ко мне и села.

Мне очень хотелось узнать, думает ли она, что кварки – это последний уровень, или же под этими частицами, в открытии которых она принимала участие, могут скрываться другие структуры.

«Мы дошли до масштаба 10–18 метра. Следующие семь или восемь порядков величины изучать довольно трудно. Но там конечно же много чего может случиться. Странно думать, что я могу умереть до того – особенно если я и дальше буду падать с лестниц, – что я могу умереть еще до того, как мы продвинемся дальше».

Я спросил, могут ли существовать фундаментальные ограничения того, что мы можем знать.

«Точно есть пределы, которые не будут преодолены при моей жизни, но я не уверена, есть ли другие ограничения. Когда в экспериментальной физике говорят, что чего-то никак нельзя сделать, это лучший способ устроить так, чтобы кто-нибудь придумал, как это можно сделать. В течение моей жизни я никогда не смогу измерить что-то, распадающееся за 10–22 секунды. Я не думаю, что это возможно. Но это не значит, что можно доказать, что это в принципе непознаваемо.

Раньше мы не могли себе представить лазер или атомные часы, да? Я думаю, что все ограничения в физике будут атомными, потому что все, что мы делаем, связано с атомами. Я понимаю, это звучит странно, но в детекторе должны быть атомы».

Интересно, как Эйнштейн вывел существование атомов из наблюдения того, как они воздействуют на что-то видимое – на зерна пыльцы или на угольную пыль. А сегодня мы знаем о существовании кварков по тому, как частицы отражаются от протонов. Так что, возможно, существуют способы заглянуть еще глубже.

«Я уверена, что Гейзенберг или Бор и представить себе не могли то, что мы сегодня можем измерить. Наверное, то же самое можно будет сказать и о нашем поколении… хотя мы-то, конечно, гораздо умнее», – смеется она.

Мне кажется, что эта проблема встает перед каждым поколением. Как можно знать заранее, какие хитрые новые методы можно придумать, чтобы копнуть ткань Вселенной еще немножко глубже? Но Франклин интересует еще и другой вопрос: какую часть того, что уже содержится в данных, получаемых из детекторов нынешнего поколения, мы не замечаем?

«Многие молодые ученые, работающие в моей области, не верят, что можно найти что-то новое, не предсказанное теоретиками. Это очень грустно. Когда мы натыкаемся на что-то, что не было предсказано теорией, мы чаще всего считаем, что это ошибка, и отбрасываем такой результат как флуктуацию. Это меня беспокоит, потому что наши эксперименты устроены таким образом, что там есть триггеры, которые срабатывают на определенные вещи – но только на те вещи, которые мы ищем, а не на другие. Интересно, что мы при этом пропускаем».

Такая судьба, видимо, чуть не постигла пентакварк, об открытии которого недавно объявили в ЦЕРН. Его чуть не посчитали шумом. Поскольку я писал книгу о том, чего мы знать не можем, Франклин спросила меня, согласился бы я узнать все, если бы это можно было сделать одним нажатием кнопки. И когда я уже протянул руку к ее гипотетической кнопке, чтобы продать душу дьяволу за знание доказательств всех теорем, над которыми я работаю, она меня остановила.

– Я бы этого не делала.

– Почему?

– Потому что так неинтересно. То есть существуют какие-то вещи: если бы я могла нажать на кнопку и тут же бегло заговорить по-итальянски, я бы нажала. Но не в науке. Мне кажется, дело в том, что так на самом деле нельзя ничего понять. Нужно приложить усилия. Нужно пытаться что-то измерить, стараться что-то понять.

Я был заинтригован. Неужели она не нажала бы на кнопку, если бы могла узнать, существуют ли за кварками другие частицы?

– Если бы мне просто объяснили методику, это было бы здорово. Но одна из главных причин, по которым мы вообще занимаемся наукой, – это появление новых идей. Бороться за знания интереснее. Так что с кнопкой все не так просто.

Мне кажется, что Франклин просто нравится делать новые вещи, искать новые частицы, управляя погрузчиками и сверля дырки в бетоне, а не размышлять за письменным столом.

– Экспериментаторы кое в чем похожи на ковбоев. Зааркань-ка вон ту штуку и тащи ее сюда. И не обращай внимания на того парня, который сидит в углу и о чем-то там думает. Когда мне будет 60, я стану менее категоричной и предубежденной. Уйду из ковбоев… Нет, не хочу уходить из ковбоев… Не знаю… Это трудно. Ковбои не так-то просты. Ходить на работу в ковбойских сапогах – это своего рода позиция.

С этими словами она села в такси и укатила в римский закат, навстречу новым научным приключениям, в поисках знаний, которые можно было бы заарканить.

Виолончель или труба?

В самом ли деле кварки, в открытии которых участвовала Франклин, образуют самый последний рубеж, или же когда-нибудь их можно будет разделить на меньшие части подобно тому, как атом разделили на электроны, протоны и нейтроны, а их, в свою очередь, – на кварки?

Многим физикам кажется, что имеющиеся сейчас экспериментальные данные в сочетании с математической теорией, которая обосновывает эти эксперименты, дают нам ответ на вопрос о сущности действительно неделимых частиц, из которых состоит игральная кость. Как все 118 элементов периодической системы могут быть сведены к различным комбинациям базовых структурных элементов трех видов – электронов, протонов и нейтронов, – так и сотни новых частиц, обнаруженных в столкновениях космических лучей, могут быть сведены к простому набору ингредиентов. Дикое разнообразие зверинца частиц укрощено. Но насколько можно быть уверенным в том, что его ворота не откроются снова и из них не появятся новые звери? По правде говоря, физики не знают, закончена ли эта история.