Стандартная модель частиц (кратко СМ) считается вершиной достижений в современной физике. Но если приглядеться чуть внимательнее к тому, что и как СМ объясняет людям относительно устройства этого мира, то… вместо вершины тут обнаруживается нечто совершенно иное.

Изначально данный текст задумывался как своего рода «дань памяти». Рассказ о замечательном человеке и выдающемся учёном по имени Фримен Дайсон, покинувшем этот мир три года назад, в феврале 2020. Но, как это часто бывает, в процессе подготовки текста сам материал сформировал то, что должно быть сказано.

Для правильного же погружения в тему имеет смысл первым делом дать три следующих цитаты от авторитетных учёных.

Нобелевский лауреат Шелдон Глэшоу, один из отцов СМ [o1]:

«Стандартная Модель – это успешная теория. Она предлагает полное, верное, самосогласованное и элегантное описание всех известных элементарных частиц и их взаимодействий. Сформулированная почти полстолетия назад, Стандартная Модель подтверждена множеством экспериментов. И если многие из экспериментов подтверждают её предсказания, то ни один им не противоречит.»

Нобелевский лауреат Энрико Ферми, один из главных создателей квантовой физики [o2]:

«Мой друг Джонни фон Нейман говорил, бывало, что имея в формуле четыре свободных параметра, он может подогнать её хоть под слона, а если параметров будет пять, то этого слона можно заставить ещё и хоботом шевелить.»

Профессор математики Роман Михайлов знаменит куда меньше, чем великий физик Энрико Ферми или великий математик Джон фон Нейман, но сказал тоже неплохо. О том, как много общего у науки с трюками шулеров и фокусников [o3]:

«Пару лет назад я начал изучать карточные трюки, чтобы лучше понять структуру обмана. И поначалу казалось, что это невозможно, что люди не могут вестись на подобный трюк. Но практика показывала, что трюк проходит практически всегда. Чем больше же я входил в эту деятельность, тем больше поражался изощрённости существующих карточных манипуляций, а также их наглости…»

Про то, сколь тесно взаимосвязаны три данные цитаты не только друг с другом, но и с Фрименом Дайсоном, станет яснее ближе к финалу. А для начала полезно напомнить об одной древней, но на удивление актуальной публикации – про особенности некой специфической религиозной философии.

#

[ фрагмент главы hex58 в книге новостей ]

В середине XVII века, в самый разгар Первой научной революции, два французских богослова-католика, Антуан Арно и Пьер Николь, опубликовали весьма острый памфлет «Логика, или искусство мышления» [o4]. Главным средоточием мудрости и учёности тогда считалась церковь, а в католическом мире самой заметной структурой, претендовавшей на обладание истинным знанием, были иезуиты – по тем временам ещё довольно молодой, но быстро набиравший силу и влиятельность монашеский орден. Против иезуитской схоластики и были направлены острые стрелы темпераментной богословской работы Арно и Николя.

Хотя французские теологи преследовали сугубо клерикальные цели и явно не намеревались выступать в поддержку картезианского учения, их анти-иезуитские аргументы оказались очень созвучны идеям Рене Декарта. По крайней мере в том, что касалось постижения тайн природы и критики так называемых «скрытых свойств», унаследованных в церковной схоластике от аристотелевской философской школы перипатетиков. Об этом весьма распространённом в средневековье методе объяснения вещей Арно и Николь с ядовитым сарказмом писали в своей работе буквально следующее.

«Мы предпочитаем измышлять воображаемые причины подлежащих объяснению вещей вместо того, чтобы признаться, что их причины нам неизвестны. И манера, с помощью которой мы уклоняемся от этого признания, весьма забавна. Видя какое-либо действие, причина которого нам неизвестна, мы воображаем, будто открыли её, присоединив к этому действию общее слово «сила» или «способность», которое не образует в нашем уме никакой иной идеи, кроме той, что это действие имеет некую причину, что нам было хорошо известно и до того, как мы прибегли к этому слову.

Так, например, все знают, что наши артерии пульсируют, что железо, находясь вблизи магнита, соединяется с ним, что кассия слабит, что опий усыпляет. Тот, кто не является учёным по профессии и не стыдится незнания, откровенно признается, что ему известны эти явления, но неведома их причина. Учёные же, которые не могут без краски стыда заявить об этом, выходят из положения иным образом и претендуют на открытие истинной причины этих действий, заключающееся будто бы в том, что артериям присуща сила пульсирования, магниту – магнетическая сила, кассии – сила слабительная, а опию – сила снотворная»…

[ конец фрагмента главы hex58 ]

#

Стандартная Модель частиц в современной науке была создана через 300 лет после выхода памфлета от Арно и Николя. Квантовая физика XX века, конечно же, в своих методах аргументации совершенно не похожа на схоластику иезуитов. Так, во всяком случае, принято считать среди учёных.

Но если чуть более пристально присмотреться к структуре Стандартной Модели и к истории её непростого рождения, то самоочевидные, казалось бы, различия между наукой и религией оказываются вдруг совсем не очевидными…

Весьма полезными в такого рода разбирательствах бывают личные воспоминания от непосредственных участников событий. Здесь, в частности, будет процитирован краткий мемуар от Фримена Дайсона, одного из творцов КЭД или квантовой электродинамики. Современная теория КЭД, созданная после второй мировой войны, стала первым и основополагающим элементом будущей Стандартной Модели. За разработку КЭД трое из четырёх её соавторов – Фейнман, Томонага и Швингер – получили Нобелевскую премию. А вот четвёртого, самого молодого из соавторов Фримена Дайсона, премия обошла, поскольку лауреатов может быть не более трёх…

Интересный мемуар Дайсона [o2], впрочем, рассказывает совершенно не об этом. А о том, что делали теоретики дальше с опорой на КЭД, и сколь мудрые вещи говорил на данный счёт Энрико Ферми.

[ начало цитаты ]

Встреча с Энрико Ферми

Одним из важных поворотных моментов в моей жизни стала встреча с Энрико Ферми весной 1953 года. За несколько минут Ферми вежливо, но безжалостно разрушил программу исследований, которой я и мои студенты занимались в течение нескольких лет. Тем самым, вероятно, он спас нас ещё от нескольких лет бесплодных блужданий по дороге, которая вела в никуда. Я бесконечно благодарен ему за то, что он разрушил наши иллюзии и сказал нам горькую правду.

Ферми был одним из величайших физиков нашего времени, выдающимся и как теоретик, и как экспериментатор. В 1942 году он возглавлял команду, которая построила первый ядерный реактор в Чикаго. В 1953 под его руководством был построен чикагский ускоритель-циклотрон, с помощью которого Ферми исследовал сильные взаимодействия, удерживающие частицы в ядрах.

Им были сделаны первые точные измерения рассеяния мезонов протонами. Эксперимент Ферми по мезон-протонному рассеянию предоставил самое прямое из доступных в то время свидетельств относительно природы сильных взаимодействий.

В том же 1953 году я был молодым профессором теоретической физики в университете Cornell, где отвечал за руководство исследованиями небольшой армии аспирантов и постдоков. Этой команде я и дал задачу рассчитать мезон-протонное рассеяние, дабы их теоретические выкладки можно было бы сравнить с экспериментальными результатами измерений Ферми.

Ранее, в 1948 и 1949 годах, мы проводили аналогичные расчёты для атомных процессов, опираясь на теорию квантовой электродинамики, и обнаружили примечательное соответствие между экспериментом и теорией. Квантовая электродинамика – это теория электронов и фотонов, взаимодействующих посредством электромагнитных сил. Поскольку электромагнитные силы относительно невелики, нам удалось рассчитать атомные процессы весьма точно. К 1951 году мы триумфально завершили свои атомные расчёты и искали новые области для покорения.

Те же самые методы вычислений мы решили применить для исследования сильных ядерных взаимодействий. Мы начали с расчёта мезон-протонного рассеяния, используя теорию сильных взаимодействий, известную как псевдоскалярная мезонная теория.

К весне 1953 года результатами этих героических усилий стали построенные нами теоретические графики мезон-протонного рассеяния. С радостью и удовлетворением мы наблюдали, до чего же хорошо рассчитанные нами цифры согласуются с цифрами измерений Ферми. Поэтому я договорился о личной встрече с Ферми, чтобы показать ему наши результаты.

Переполняемый гордостью, я поехал на автобусе Greyhound из Итаки в Чикаго, везя с собой целую пачку наших теоретических графиков, чтобы продемонстрировать их Ферми. Но когда я пришёл к Ферми в кабинет, первым делом достав для показа наши графики, он едва на них взглянул.

Он пригласил меня присесть и стал дружески расспрашивать о здоровье моей жены и о нашем новорождённом сыне, которому сейчас уже за пятьдесят. И только после этого он вынес свой вердикт тихим, ровным голосом.

«В теоретической физике есть два способа делать расчёты,» – сказал он. «Один из способов, для меня более предпочтительный, – это иметь чёткую физическую картину процесса, который вы вычисляете. Способ другой заключается в том, что у вас имеется точный и самосогласованный математический формализм. У вас же здесь нет ни того, ни другого».

Я был слегка ошеломлён, но всё же рискнул спросить его, почему он не считает теорию псевдоскалярных мезонов самосогласованным математическим формализмом.

Он ответил так: «Квантовая электродинамика выглядит хорошей теорией по той причине, что силы там слабые, а когда формализм неоднозначен, у нас есть чёткая физическая картина, которой мы можем руководствоваться. В теории псевдоскалярных мезонов никакой физической картины нет, а силы настолько велики, что ничего не сходится. Чтобы получить сходимость в ваших результатах вычислений, вам пришлось вводить произвольные процедуры отсечения, которые не основаны ни на прочной физике, ни на твёрдой математике.»

В отчаянии я спросил Ферми, неужели его не впечатлило соответствие между вычисленными нами цифрами и цифрами его измерений. В ответ он спросил: «Сколько свободных параметров вы использовали для своих расчётов?»

На мгновение я задумался о наших процедурах отсечения и сказал: «Четыре.» На что Ферми сказал: «Мой друг Джонни фон Нейман, помнится, говорил, что имея в формуле четыре свободных параметра, он может подогнать её хоть под слона, а если параметров будет пять, то этого слона можно заставить ещё и хоботом шевелить.»

На этом разговор наш был окончен. Я поблагодарил Ферми за уделённое мне время и внимание, после чего в печали сел на ближайший автобус обратно до Итаки, чтобы сообщить невесёлые новости своим студентам. Поскольку для членов команды было важно, чтобы за их авторством была опубликована статья в научном журнале, мы не стали сразу отказываться от наших расчётов. Мы закончили вычисления и написали большую статью, которая надлежащим образом была опубликована в Physical Review с указанием имён всех соавторов.

После чего дороги наши разошлись в поисках других направлений работы. Я, скажем, сбежал в Беркли, штат Калифорния, чтобы начать новую карьеру в области физики конденсированных сред.

Ныне же, оглядываясь назад по прошествии пятидесяти лет, мы можем отчётливо видеть, насколько прав был Ферми. Решающим открытием, наполнившим смыслом сильные взаимодействия, стал кварк. Мезоны и протоны – это маленькие мешочки с кварками. Но прежде, чем Марри Гелл-Манн открыл кварки, никакая теория сильных взаимодействий, наверное, не могла быть адекватной.

Ферми в ту пору ничего не знал о кварках, и умер ещё до того, как они были открыты. Но каким-то образом он знал, однако, что в мезонных теориях 1950-х годов недоставало чего-то существенного. Интуиция физика подсказывала ему, что псевдоскалярная мезонная теория не может быть правильной. Так что это именно интуиция Ферми, а не какая-нибудь проблема расхождений между теорией и экспериментом, спасла меня и моих студентов от того, чтобы застрять на пути, ведущем в тупик.

[ конец мемуара ]

#

В отличие от Энрико Ферми (1901-1954), умершего от рака в совсем нестаром ещё возрасте, Фримен Дайсон (1923-2020) прожил на редкость долгую и вплоть до последних дней насыщенную трудами жизнь. [i1]

Когда же и Дайсон покинул этот мир, на редкость душевные и тёплые слова об учёном прозвучали в официальном пресс-релизе IAS [o5], Института перспективных исследований в Принстоне, с которым у учёного были связаны 70 лет жизни:

«Охватить жизнь и творчество Дайсона в нескольких словах просто невозможно. Архитектор современной физики частиц и математик широчайшего кругозора. Активный сторонник космических путешествий, астробиологии и разоружения. Визионер-футурист, вечный аспирант и бунтовщик против множества умозрительных идей, включая свои собственные. Вдумчивый писатель-эссеист и неизменно мудрый зритель всего этого спектакля человечества. Его секрет был в том, чтобы просто говорить «Да» всему происходящему в жизни, вплоть до самого конца…»

Последняя из процитированных строк весьма точно отражает суть того, что делал Дайсон в науке и жизни – «просто говорить Да всему происходящему». Такая позиция учёного, знаменитого своими диссидентскими взглядами, на первый взгляд может показаться парадоксальной. Однако известные факты из трудов и биографии Дайсона во множестве подтверждают, что именно так оно и было.

В частности, он никогда не критиковал Стандартную Модель частиц, хотя с самого начала – и с подачи великого Энрико Ферми – прекрасно видел не только слабые, но и очень слабые стороны этого комплекса теорий.

Ибо как-то само собой здесь получилось так , что все «объяснения вещей» в СМ выстроены на основе той же самой по сути логики церковной схоластики, которую активно использовали иезуиты.

В фундаментальные основы материи наукой заложены «три силы» – электромагнитная, сильная ядерная и слабая ядерная. Есть ещё четвёртая фундаментальная сила, гравитация, но она в Стандартную Модель не входит, потому что никто в науке так и не постиг, каким образом квантовая физика могла бы объяснить гравитационные взаимодействия.

Иначе говоря, по умолчанию давно подразумевается, что три прочие «силы» наша Стандартная Модель давно и успешно объяснила. Имеет смысл, однако, повнимательнее присмотреться к этим объяснениям. И особо обратить внимание на то, что имеют сказать честные и сведущие учёные в ответ на простые вопросы о механизмах работы «фундаментальных сил» (единообразно работающих, как мыслится, через испускание-поглощение «частиц-переносчиков» взаимодействий ).

Касательно сил электромагнитных, отвечающих за феномены электричества, магнетизма и света (где переносчиком «силы» предполагаются фотоны):

– Как объяснить наличие электрического заряда у элементарной частицы? – Мы не знаем.
– Почему противоположные заряды электрона и протона в точности равны? – Мы не знаем.
– Почему число электронов во вселенной равно числу протонов? – Мы не знаем.
– Каким образом встречное испускание фотонов протоном и электроном приводит к их взаимному электрическому притяжению? – Мы не знаем.
– Каким образом притяжение разноимённых полюсов магнитов объяснить через испускание фотонов частицами? – Мы не знаем.

Это, отметим, самые наивные – так называемые детские – вопросы, ответов у которых у СМ не только нет, но и не предвидится. И это лишь некоторые из вопросов к самой лучшей из трёх теорий.

Что же касается двух других теорий – о ядерных взаимодействиях, отвечающих за физические процессы в ядре и как бы «объясняющих» силы, удерживающие одноимённо заряженные частицы внутри ядра, то здесь дела с реальным пониманием обстоят ещё хуже, чем с электромагнетизмом.

Достаточно, наверное, сказать, что с опорой на концепцию кварков и глюонов-переносчиков науке до сих пор так и не удалось даже приблизительно объяснить, каким всё-таки образом эти частицы могли бы удерживать протоны внутри ядра…

Если смотреть на всю эту ситуацию со стороны, то картина и в таком-то виде выглядит уже крайне озадачивающе и уныло. Если же принять в учёт ещё и тот факт, что со времени создания СМ к концу 1970-х и вплоть до нынешних дней теоретики на основе этой модели не смогли сделать НИ ОДНОГО такого предсказания, которое расширило бы наши знания о природе и было подтверждено экспериментами, то сам собой возникает закономерный вопрос.

Как это всё понимать?

Краткий ответ на столь интересный вопрос и предоставляют три цитаты из самого начала данного текста.

Ну а ответ более содержательный можно постичь, во-первых, если знать, что в формулах Стандартной Модели используется от 18 до 26 свободных параметров (точное число зависит от того, кого из теоретиков вы спрашиваете, но суть «карточных трюков» тут по-любому должна быть ясна).

Во-вторых же, в текстах раздела Дополнительное чтение можно найти несколько материалов, с подробностями рассказывающих, как мы дошли до жизни такой. И как из всего этого выбираться…

# # #

Дополнительное чтение:

[i1] Вечная жизнь и другая наука Свободного Человека

[i2] Додекаэдрон, СинХрон и Лохотрон (2015)

[i3] Природа самообмана в точных науках (2018)

[i4] Несколько текстов в тему из «книги новостей» (2011):
Скрытые свойства Стандартной Модели или Об отчётливых взаимосвязях между философией СМ и научной схоластикой ордена иезуитов;
Словно один сквозь другого, о важнейшей особенности частиц, которую СМ «не замечает»;
Кризис непонимания или Откуда у протона такой спин?
Почти мистика или Откуда у протона такая масса?

# #

Основные источники:

[o1] Sheldon Lee Glashow, «The Standard Model». Inference: International Review of Science, Volume 4, Issue 1, 2018

[o2] Freeman Dyson, «A meeting with Enrico Fermi». NATURE Vol 427, 22 January 2004, p 297

[o3] Роман Михайлов, интервью с Владимиром Воеводским в ЖЖ (2012). Часть1; Часть 2

[o4] A. Arnault, P. Nicole. “La logique ou l’art de penser”. Paris, 1664, ch. XIX

[o5] Freeman J. Dyson (1923–2020), Scientist and Writer, Who Dreamt Among the Stars, Dies at 96, IAS Press Release, February 28, 2020

#