Неприятности с физикой: взлёт теории струн, упадок науки и что за этим следует
Шрифт:
Как рассказывает об этом Барбур, по пути вверх через аспирантуру его захватил взгляд, что время может быть иллюзией. Это привело его к исследованию корней нашего понимания времени, содержащихся в ОТО. Он понял, что он не сможет сделать обычную академическую карьеру, если будет беспокоиться о природе времени. Он также понял, что если он начнёт работать над этой проблемой, он должен будет сконцентрироваться на ней полностью, не отвлекаясь на бремя нормальной карьеры в физике. Так что он купил старый фермерский дом в небольшом посёлке в получасе от Оксфорда, перевёз туда свою новую жену и сел думать о времени. Прошло десять лет или около того, прежде чем он смог сообщить что-нибудь обратно своим коллегам. В течение этого периода он и его жена нажили четверых детей, и часть времени он зарабатывал переводами, чтобы поддержать их. Переводы занимали у него не более двадцати часов в неделю, оставляя ему столько же времени для размышлений, сколько большинство академических учёных имеют после обязанностей по преподаванию, а администрация принимает к учёту.
Чтобы овладеть смыслом времени в ОТО, Барбур глубоко вчитался в тему, проследив её путь через историю физики и философии. Наконец, он смог изобрести новый вид теории, в которой пространство и время есть ни что иное, как система взаимосвязей. Его статьи по этой теме медленно начали замечаться, и в итоге он стал уважаемым членом сообщества квантовой гравитации. Его переинтерпретация ОТО Эйнштейна как относительной теории сегодня является способом,
Это далеко не всё, что Барбур сделал, но этого достаточно, чтобы показать, насколько карьера успешного пророка отличается от карьеры обычного академического учёного. Такая личность не следует моде — фактически, вероятно, даже не следует области, достаточно известной, чтобы имелась мода. Подобные люди не управляются ничем, за исключением убеждений, приобретённых ранее, которые любой другой не сочтёт за нечто важное. Их подход более энциклопедический, в котором, чтобы ясно думать, они прочитывают всю историю вопроса, который ими завладел. Их труд чрезвычайно сфокусирован, а ещё им требуется длительное время, чтобы получить что-нибудь. В продвижении академической карьеры тут не имеется какого бы то ни было выхода. Джулиан Барбур, когда он был готов, изменил науку больше, чем большинство академических учёных, но в возрасте, когда большинство академических физиков вступают в должности, ему абсолютно нечего было показать из своей работы.
Карьера Барбура похожа на карьеры других пророков, вроде Чарльза Дарвина, который также удалился в английскую сельскую местность, чтобы найти помещение для раздумий над овладевшей им идеей. Эйнштейн потратил десять лет, размышляя над идеями, которые стали СТО, а затем потратил следующие десять, изобретая ОТО. Так что время и свобода мыслей — это всё, что необходимо пророкам, чтобы найти неисследованное предположение. Остальное они сделают сами.
Другой такой личностью является Дэвид Финкельштейн, заслуженный профессор Института технологии Джорджии, который потратил всю свою жизнь на поиск логики природы. Он занимался физикой отличным от всех других способом. Трудом его жизни был поиск понимания, как он изложил, когда мы впервые встретились: «Как у божьей силы возникла мысль привести мир к существованию». Он никогда ничего не делал кроме этого, и в каждый момент нашей встречи он имел новые прозрения на этот счёт. По пути возникло несколько побочных результатов. Он был первой личностью, которая поняла, что такое горизонт событий чёрной дыры [145] . Он был первый, кто открыл важные свойства физики твёрдого тела, называемые топологическими законами сохранения, и он также был первый в изучении различных математических структур — квантовых групп, например. Его жизнь служит примером диапазона вкладов, которые пророк может сделать во время следования своей собственной дорогой к истине. Несмотря на то, что Финкельштейн сделал академическую карьеру, может ли кто-нибудь, подобный ему, — кто-нибудь, кто прислушивается только к внутреннему голосу и игнорирует почти всё остальное, — получить профессорство в наши дни в большом университете? Помечтайте.
145
D. Finkelstein, «Past-Future Asymmetry of the Gravitational Field of a Point Particle,» <Асимметрия прошлого и будущего гравитационного поля точечной частицы> Phys. Rev., 110: 965-67 (1958).
Имеется другая история, более похожая на историю Барбура. Антони Валентини начал со студенческой степени в Кембридже, как и Барбур. Затем он несколько лет путешествовал по Европе, пока, наконец, не осел в Триесте, чтобы обучаться у Денниса Сиамы, который в Кембридже руководил обучением или подготовкой диссертаций Стивена Хокинга, Роджера Пенроуза, Мартина Риса, Джорджа Эллиса и некоторых других релятивистов и космологов. Позже в своей карьере Сиама переместился в Триест и основал астрофизическую группу в новом итальянском институте, названном SISSA (Scuola Internationale Superiore di Studi Avanzati — Высшая международная школа прогрессивных исследований). Валентини был одним из последних студентов Сиамы, и он не работал в астрофизике, вместо этого он занялся работой над квантовой теорией, основываясь на сильном ощущении, что она не имеет смысла. Он изучил старую идею, впервые разработанную Луи де Бройлем в 1920-х, именуемую теория скрытых переменных, в соответствии с которой имеется единственная реальность, скрытая за уравнениями квантовой теории. Идея скрытых переменных десятилетиями подавлялась, — несмотря на поддержку Эйнштейна, Шрёдингера и других, — частично вследствие ложного доказательства, опубликованного Джоном фон Нейманом в 1932 году, что такие теории не могут существовать. Ошибка была, наконец, вскрыта в начале 1950-х квантовым теоретиком Дэвидом Бомом, который затем пересмотрел теорию де Бройля. Валентини сделал новую и очень важную модификацию теории скрытых переменных, первое усовершенствование теории за десятилетия. Большинство его статей на эту тему были отвергнуты физическими журналами, но их содержание сегодня широко признано среди специалистов, которые работают над основаниями квантовой механики.
Сиама сделал всё, что мог, чтобы поощрить и помочь Валентини, но не было академических позиций, доступных как в Италии, так и в англо-говорящем мире для того, чья работа была сосредоточена на фундаментальных проблемах. Сиама посоветовал Валентини, что если ему не удаётся опубликовать свой растущий объём результатов в журналах, он должен написать книгу о них. Не имея должности, Валентини переехал в Рим, где, наконец, закрепился в качестве постдока в Университете Рима. Когда это прошло, он остался в Риме ещё на шесть лет, влюбившись в город и одну из его обитательниц, поддерживая себя частными уроками и, тем временем, развивая свою теорию и занося результаты в свою книгу [146] .
146
Antony Valentini, Pilot Wave Theory of Physics and Cosmology <Теория управляющей волны в физике и космологии> (Cambridge, U.K.: Cambridge Univ. Press, в печати).
Хотя многие ведущие физики признают в частном порядке опасения по поводу квантовой механики, их публичная позиция такова, что её проблемы были решены в 1920-е. Научной оценки более поздних работ по её основаниям не существует, но я знаю, что со времён, по меньшей мере, 1950-х ведущие журналы только очень выборочно публикуют статьи на эту тему, одновременно некоторые журналы установили политику исключения таких статей. Субсидирующие организации и главные правительственные фонды обычно не поддерживают эту работу [147] , департаменты университетов склонны не предлагать работу людям, которые занимаются этой темой.
147
Здесь приводится часть письма от национального научного фонда в адрес физика Университета Нотр Дам Джеймса Кашинга в 1995 с отклонением его просьбы поддержать его работу по основаниям квантовой теории:
«Предмет рассмотрения, соревнование Копенгагенской и причинной (Бом) интерпретаций квантовой теории, обсуждался долгие годы и, по мнению нескольких членов Физического отдела Национального научного фонда, ситуация урегулирована.
Причинная интерпретация не согласуется с экспериментами, которые проверяли неравенства Белла. Следовательно… фондирование… исследовательской программы в этой области было бы неразумным.Поразительной вещью по поводу этого письма является то, что оно содержит элементарную ошибку, которая к тому времени была хорошо понята экспертами, что причинная интерпретация полностью согласуется с экспериментами по проверке неравенств Белла. Между прочим, Кашинг был успешным физиком в области элементарных частиц, прежде чем переключил свои интересы на основания квантовой теории, но это не удержало Национальный научный фонд от прекращения его финансирования.»
Это общее упрямство частично является результатом перехода от революционной науки к нормальной науке в 1940-е. Как и в политической революции, мятежи подавляются, если революция консолидирует свои достижения. В ранние годы было несколько соперничающих взглядов и идеологий по поводу интерпретации квантовой теории. К 1940-м одна идеология победила. Из уважения к лидерству Нильса Бора она была названа Копенгагенской интерпретацией. Бор и его последователи приняли участие в прекращении дебатов, и я был бы не удивлён, узнав, что они использовали рычаги академической политики, чтобы сделать это; с учётом их участия в изобретении ядерного оружия они определённо имели хорошие шансы на успех. Но даже те, кто не заботился об идеологии, а хотел только приблизить ход нормальной науки, имели мотивы, чтобы придушить дебаты по этой теме. Квантовая теория достигла великих успехов с практической и экспериментальной стороны, и те, кто выковал эти успехи, не захотели озаботиться ноющими сомнениями тех, кто продолжал беспокоиться, что имеются глубокие проблемы с тем, как теория была сформулирована и интерпретирована. Пора было идти дальше.
У тех, кто упорно продолжал сомневаться, было несколько выборов. Некоторые переквалифицировались в философов и стали публиковать длинные учёные рассуждения в философских журналах. Они создали небольшую субкультуру, которая, по меньшей мере, поддерживает дебаты в живых. Немногие, кто имел математический талант, получили работу в математических департаментах, где они публикуют формальные строгие труды по альтернативам к общепринятой формулировке квантовой механики. Другие — кое-кто из лучших людей в указанной области — нашли профессорство в небольших колледжах, где вам не было необходимости получать исследовательские гранты. Некоторые другие сделали физические карьеры, основываясь на работе в других областях, и время от времени работали над квантовой механикой в качестве некоторой разновидности хобби.
Одним их таких «хоббитов» был Джон Стюарт Белл, который открыл в начале 1960-х ключевую теорему по поводу теорий со скрытыми переменными. Он построил свою карьеру на хорошей работе в физике частиц, но сегодня, через несколько лет после его смерти ясно, что его самым важным вкладом была его работа по квантовой теории. Белл временами цитируется как говоривший, что необходимо было делать нормальную науку и только 10 процентов своего времени тратить на озабоченность по поводу квантовой теории. Когда появилось это изречение, мой коллега по Пограничному институту Люсьен Харди попытался порассуждать на тему, насколько больший вклад в науку мог бы внести Белл, если бы он больше времени уделял той области, где он оказал наибольшее влияние, — за исключением того, что тогда он, вероятно, совсем не имел бы работы.
Не удивительно, что в течение этого периода в основаниях квантовой механики был сделан минимальный прогресс. И как могло быть иначе? Конечно, часто находились достаточные основания, чтобы не приглашать на работу, не финансировать или не публиковать тех немногих людей, кто делал прогресс.
Теперь мы знаем, насколько не правы были скептики. Около двадцати лет назад Ричард Фейнман и некоторые другие поняли, что мы могли бы сделать новый вид компьютеров с существенным использованием квантовых явлений. Предложение почти совершенно не исследовалось до более детального плана квантового компьютера, которое было сделано в 1985 году Дэвидом Дойчем, в настоящее время работающим в Центре квантовых вычислений в Оксфорде [148] . Нет более основательного мыслителя, чем Дойч; он был мотивирован на изобретение квантовых компьютеров своей тревогой по поводу фундаментальных проблем как в математике, так и в квантовой теории. Истинно оригинальным и ясным мыслителем он выступил в своей провокационной книге «Ткань реальности» [149] , в которой он детально обдумал свои много-мировые теории. Я не согласен со многим из того, что он пишет, но я люблю эту книгу.
148
D. Deutsch, Proc. Roy. Soc. A, 400: 97-117 (1985).
149
David Deutsch, The Fabric of Reality: The Science of Parallel Universes and Its Implications <Ткань реальности: наука параллельных вселенных и её следствия> (London: Penguin, 1997).
В 1994 году Петер Шор из Массачусетского технологического института, который тогда был учёным по компьютерам в Лаборатории Белла, нашёл замечательный результат, что достаточно большой квантовый компьютер мог бы быть в состоянии взломать любой существующий шифр [150] . С тех пор в область квантовых вычислений полился поток денег, поскольку правительства не хотели быть последними, чтобы их шифры взломали. Эти деньги поддержали новое поколение молодых, очень умных учёных — физиков, компьютерщиков и математиков. Он создали новую область на стыке физики и компьютерной науки, важная часть из которой содержит переосмысление оснований квантовой механики. Неожиданно квантовые вычисления стали горячей областью с большим количеством новых идей и результатов. Некоторые из этих результатов имеют отношение к основаниям, и многое могло бы быть открыто в любой момент с 1930-х. Это ясный пример того, как подавление области исследований академической политикой задерживает прогресс на десятилетия. В 1999 году после семи лет изоляции в Риме Антони Валентини вернулся назад в родительский дом в Лондоне. Его семья эмигрировала из небольшой деревни в Аббруззо; они приобрели маленький магазин и были готовы поддержать его в его работе, пока это возможно. Я встретился с ним в этот год, когда я был приглашённым профессором в Империал колледже, и после обсуждения с Кристофером Исхамом, возглавляющим здесь теорию групп, мы решили предложить ему постдока и привести его обратно в науку. Мы смогли сделать это, поскольку я имел неожиданную и щедрую поддержку от донора, который оказался озабоченным основаниями квантовой механики. Я чувствовал, что поддержка Валентини как поддержка одного из немногих людей, которая обеспечивает, что он мог бы сделать вклад в новые и важные результаты в данной области, приведёт к тому, что деньги будут хорошо использованы. Если бы я поддерживался только средствами от Национального научного фонда, я не смог бы сделать это. Как ни щедр был Национальный научный фонд по отношению ко мне в моей работе по квантовой гравитации, разделение гранта с постдоком, работающим над основаниями квантовой теории, могло бы испортить шансы финансирования в будущем.
150
P.W. Shor, «Polynomial-Time Algorithms for Prime Factorization and Discrete Logarithms on Quantum Computer,» <Полиномиальные временные алгоритмы для начального разложения логарифмов для квантового компьютера> .