Научный взгляд на устройство вселенной

ИСТИНА, КРАСОТА И ДРУГИЕ НАУЧНЫЕ ЗАБЛУЖДЕНИЯ 335
имеет дополнительные преимущества: она обещает максимум 
предсказательной силы. Рассматривая новые гипотезы об осно-
ваниях Стандартной модели, мы, как правило, скептически от-
носимся к моделям слишком громоздким.
Опять же, как в искусстве, физические теории могут быть про-
сты сами по себе, а могут представлять собой сложные компози-
ции, составленные из простых и предсказуемых элементов. Конеч-
ный результат, разумеется, не всегда получается простым, даже 
если просты исходные компоненты, а иногда и правила, которым 
они подчиняются.
Крайнее проявление подобных стремлений — поиск единой 
теории, которая состояла бы всего из нескольких простых элемен-
тов и подчинялась небольшому набору правил. Это амбициозная, 
чтобы не сказать дерзкая, задача. Ясно, что на пути к достижению 
этой цели нас ждут очевидные препятствия, не позволяющие нам 
легко отыскать элегантную теорию, которая объяснила бы все 
без исключения наблюдаемые факты: в мире вокруг мы видим 
лишь малую часть того, что должна воплощать в себе такая теория. 
Единая теория, или теория всего, будучи простой и элегантной, 
должна обладать достаточной глубиной, чтобы охватывать все. 
Конечно, каждому хотелось бы верить в существование един-
ственной простой и красивой теории, составляющей фундамент 
всей физики. Однако Вселенная не так чиста, проста и упорядо-
чена, как наши теории. Даже если единая трактовка возможна, 
потребуется огромное количество исследований, чтобы связать ее 
со сложными явлениями, которые мы наблюдаем в окружающем 
мире.
Иногда в суждениях о красоте мы заходим слишком далеко. 
Наши студенты любят пошутить в адрес профессоров, которые 
то и дело называют понятные ученым явления «тривиальными», 
вне зависимости от того, насколько те на самом деле сложны. 
Конечно, профессор хорошо знает ответ, и базовые элементы, 
и логику рассуждений, но студенты-то в аудитории ничего этого 
не знают. Много позже, когда они научатся раскладывать задачу 
на простые составляющие, она и для них, возможно, станет три-
виальной. Но сначала им придется попотеть.

336 МОДЕЛИ, 
ПРЕДСКАЗАНИЯ 
И ОЖИДАЕМЫЕ 
РЕЗУЛЬТАТЫ
ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ
В науке, как и в жизни, не может быть единого критерия красоты. 
Есть только несколько интуитивных соображений и эксперимен-
тально установленных ограничений, которыми мы можем руко-
водствоваться в поиске истины.
Но не будем заблуждаться, в конечном итоге лишь экспери-
мент определит, какая из научных гипотез верна, если среди них 
вообще есть верная. Возможно, в науке эстетические критерии 
и играют какую-то роль, но подлинный научный прогресс нуж-
дается в глубоком понимании, прогнозировании и тщательном 
анализе данных. Любая гипотеза, как бы красиво она ни выгля-
дела, может оказаться неверной — и тогда ее следует отбросить.
Но, прежде чем добраться до высоких энергий или гипотетиче-
ских параметров, необходимых для получения верных физических 
описаний, физики вынуждены догадываться о том, что скрывается 
за Стандартной моделью, при помощи эстетических и теоретиче-
ских соображений. Пока, обладая лишь ограниченными данными, 
мы определяем направление дальнейших исследований исходя 
из собственного вкуса и возможностей.
В идеале нам хотелось бы подробно рассмотреть последствия 
самых разных допущений. Делается это в науке при помощи 
мо-
делирования
. Мы с коллегами исследуем различные модели фи-
зики элементарных частиц — гипотезы о том, какие физические 
теории могли бы лежать в основе Стандартной модели. Наша 
цель — отыскать простые принципы организации сложных яв-
лений, свидетелями которых мы являемся на более легкодоступ-
ных масштабах, и таким образом прояснить «белые пятна» наших 
представлений о мире.
При создании физических моделей ученые пытаются сбалан-
сировать выводы, полученные с помощью общепринятой эффек-
тивной теории, и гипотетические представления о все более мел-
ких масштабах. При этом мы используем подход «снизу вверх»: 
берем то, что нам известно, — и явления, которые уже получили 
объяснение, и те, что продолжают оставаться для нас загадкой, — 
и пытаемся дописать картину — вывести такую фундаментальную 

ИСТИНА, КРАСОТА И ДРУГИЕ НАУЧНЫЕ ЗАБЛУЖДЕНИЯ 337
модель, которая объяснила бы связи между наблюдаемыми свой-
ствами элементарных частиц и их взаимодействиями.
Понятие «модель» может подразумевать и некую физическую 
структуру — вспомните крохотные копии зданий, которые исполь-
зуются для демонстрации и проработки архитектурных решений. 
Речь может идти также о численном моделировании, при кото-
ром выясняются возможные последствия заданных (известных 
или предполагаемых) физических принципов, — вспомните мо-
делирование изменений климата или модели распространения 
заразных заболеваний.
Моделирование в физике элементарных частиц сильно от-
личается от обоих названных подходов. Однако можно сказать, 
что модели элементарных частиц чем-то напоминают моделей 
со страниц журналов и подиумов. Как на подиуме, так и в физике 
модели предназначены для демонстрации новых, иногда весьма 
причудливых, идей. Так же, как в мире моды, зрителей поначалу 
привлекают самые красивые — или по крайней мере самые яр-
кие — модели, но в конце концов побеждают самые работоспо-
собные и универсальные.
Этим сходство мира моды и науки исчерпывается.
Физические модели представляют собой предположения 
о том, что может лежать в основе теорий, которые уже проверены. 
При принятии решения о том, какие из идей наиболее перспек-
тивны и стоят дальнейшей проработки, трудно обойтись без эсте-
тических критериев. Однако не менее важную роль при этом 
играют непротиворечивость и проверяемость этих идей. Моде-
ли описывают «глубинные» физические принципы, применимые 
на расстояниях и размерах, которые нам пока не удается экспе-
риментально проверить. При помощи моделей мы можем прояс-
нить для себя сущность и последствия различных теоретических 
предположений.
Модель — это средство экстраполяции; исходя из известного, 
мы строим предположения о более универсальных теориях, объ-
ясняющих максимально возможное число явлений в мире. Это 
лишь предположения, которые могут оправдаться или не оправ-
даться, когда эксперименты позволят нам наконец заглянуть в мир 

338 МОДЕЛИ, 
ПРЕДСКАЗАНИЯ 
И ОЖИДАЕМЫЕ 
РЕЗУЛЬТАТЫ
меньших размеров или более высоких энергий и на практике про-
верить заложенные в них гипотезы и предсказания.
Имейте в виду, что «теория» — это не то же самое, что «мо-
дель». Под словом теория я не подразумеваю свободных и ничем 
не ограниченных рассуждений, как часто бывает при обычном, 
бытовом использовании этого слова. Неотъемлемой частью лю-
бой теории являются известные физические законы, которым они 
подчиняются, то есть вполне определенный набор принципов 
со своими правилами и уравнениями, определяющими взаимо-
действие элементов.
Но даже если мы полностью понимаем некую теорию и ее 
следствия, то реализовать ее можно множеством разных способов 
и каждый из них предскажет свои физические следствия в реаль-
ном мире. Моделирование — это способ попробовать различные 
варианты.
Если представить теорию в программе PowerPoint, то модель — 
это ваша презентация. Теория допускает различные возможности, 
но вы используете только те из них, которые нужны для демонстра-
ции вашей точки зрения. Теория покажет, где должен находиться 
заголовок, а где перечислены по пунктам свойства, но именно мо-
дель покажет все, что вы считаете нужным донести до аудитории.
Подход к построению моделей в физике меняется в соответ-
ствии с тем, ответы на какие вопросы ищут в настоящее время 
ученые. Физики всегда пытаются предсказать максимальное число 
физических величин на базе минимального количества началь-
ных предположений, но это не означает, что самые фундаменталь-
ные теории рождаются на пустом месте.
В XIX в. физики неплохо представляли себе температуру и дав-
ление и умели применять эти понятия задолго до того, как было 
получено хоть какое-то их объяснение на более фундаментальном 
микроскопическом уровне — как результат случайного движения 
большого числа атомов и молекул. В начале XX в. физики пытались 
строить модели, которые объяснили бы массу в терминах электро-
магнитной энергии. Эти модели, хотя и основывались на пред-
ставлении о работе подобных систем, которое тогда разделяли 
многие ученые, тем не менее оказались неверны. Немного позже 

ИСТИНА, КРАСОТА И ДРУГИЕ НАУЧНЫЕ ЗАБЛУЖДЕНИЯ 339
Нильс Бор построил модель атома, чтобы объяснить наблюдаемый 
спектр его излучения. Вскоре его модель уступила место более все-
объемлющей теории квантовой механики, которая впитала в себя 
основную идею Бора, но разработала ее на более высоком уровне.
Сегодня авторы моделей пытаются определить, что лежит в ос-
нове Стандартной модели физики элементарных частиц. Эту мо-
дель называют Стандартной, потому что она хорошо проработана 
и многократно проверена экспериментально, но в момент своего 
появления это была всего лишь догадка о том, как можно объеди-
нить все имеющиеся наблюдения в единую систему. Позже на базе 
Стандартной модели были сделаны проверяемые предсказания, 
и в конечном итоге эксперименты показали, что она верна.
В настоящее время Стандартная модель объясняет все имею-
щиеся наблюдения, но физики уверены, что она неполна. В част-
ности, она оставляет открытым вопрос о том, что в точности 
представляют собой частицы и взаимодействия — элементы так 
называемого сектора Хиггса, ответственные за массы элементар-
ных частиц — и почему частицы в этом секторе обладают имен-
но такими массами, какими обладают. Теории, выводящие нас 
за пределы Стандартной модели, демонстрируют более глубокие 
потенциальные взаимосвязи и взаимодействия, которые могли бы 
дать ответы на эти вопросы. Строятся они на основе выбора кон-
кретных фундаментальных исходных посылок и физических кон-
цепций, а также диапазонов размеров и энергий, на которых они 
применимы.
Значительная часть моих текущих исследований заключает-
ся в размышлениях о новых моделях, а также о новых или более 
проработанных стратегиях поиска, направленных на то, чтобы 
никакие новые явления не остались незамеченными. Я думаю 
не только о созданных на основе моих идей моделях, но и о множе-
стве других возможностей. Специалисты по физике элементарных 
частиц прекрасно знают, какого типа элементы и правила могут 
работать в моделях — это частицы, силы и допустимые взаимодей-
ствия. Но мы не знаем в точности, без каких именно ингредиентов 
картина реальности получится неполной. Используя известные 
теоретические составляющие, мы пытаемся распознать те потен-

340 МОДЕЛИ, 
ПРЕДСКАЗАНИЯ 
И ОЖИДАЕМЫЕ 
РЕЗУЛЬТАТЫ
циально простые базовые идеи, на которых вырастает сложная 
теория.
Не менее важно и то, что модели помогают нам выявить цели 
для дальнейших экспериментальных исследований и предска-
зать, как поведут себя частицы на расстояниях, меньших, чем те, 
что ученым до сих пор удавалось изучить эмпирически. Результаты 
измерений помогают нам сделать выбор. Мы пока не знаем, какой 
будет новая фундаментальная теория, но уже можем судить о ее 
вероятных отклонениях от Стандартной модели. Рассматривая 
конкурирующие модели и их следствия, мы можем предсказать, 
что продемонстрирует нам БАК, если та или иная модель окажется 
верной.
Исследование моделей и их следствий помогает понять, 
что именно следует искать ученым. Любая модель с новыми физи-
ческими законами, справедливыми в измеримом масштабе энер-
гий, должна предсказывать существование новых частиц и новых 
отношений между ними. Наблюдение за тем, какие частицы рож-
даются при столкновениях и какими они обладают свойствами, 
должно помочь в решении вопроса о том, какие вообще суще-
ствуют частицы, какие у них массы и как они взаимодействуют. 
Обнаружение новых частиц или измерение характеристик раз-
личных взаимодействий должно подтвердить или отвергнуть 
предложенные ранее модели и проложить путь к созданию новых, 
более удачных.
Если данных будет достаточно, эксперименты определят, какая 
из фундаментальных моделей верна — по крайней мере на том 
уровне точности, расстояний и энергии, который мы в состоянии 
исследовать. Мы надеемся, что на самом крохотном диапазоне 
расстояний, который мы сможем исследовать при энергиях БАКа, 
правила для фундаментальной теории окажутся достаточно про-
стыми, чтобы позволить нам вывести соответствующие физиче-
ские законы.
Среди физиков идут оживленные дискуссии о том, какие имен-
но модели следует изучать и как учитывать их в эксперименталь-
ных исследованиях. Я, к примеру, нередко сажусь за стол с колле-
гами-экспериментаторами, чтобы вместе разобраться, как лучше 

ИСТИНА, КРАСОТА И ДРУГИЕ НАУЧНЫЕ ЗАБЛУЖДЕНИЯ 341
всего использовать модели для определения направления даль-
нейших исследований. Не являются ли слишком специфическими 
контрольные точки с теми или иными параметрами в конкретных 
моделях? Нет ли лучшего способа рассмотреть все возможности?
Эксперименты на БАКе настолько сложны, что поиск без кон-
кретной цели ни к чему не приведет: интересные данные будут 
задавлены массой фоновых событий, связанных со Стандартной 
моделью. Экспериментальные установки разрабатывались и опти-
мизировались в расчете на существующие модели, но более уни-
версальный поиск в них тоже ведется. Экспериментаторы обяза-
тельно должны представлять себе огромное количество моделей, 
объясняющих те или иные новые данные, которые могут появить-
ся, — это необходимо, чтобы избежать предвзятости.
И теоретики, и экспериментаторы стараются сделать так, что-
бы мы не пропустили ничего интересного. Мы не можем знать, 
которое из множества предположений верно (если такое есть), 
до тех пор, пока оно не найдет экспериментального подтвержде-
ния. Предложенные модели могут верно описывать реальность, 
но, даже если они окажутся ошибочными, они все же предлагают 
нам стратегии поиска и сообщают характеристики еще не откры-
тых элементов. Мы надеемся, что БАК даст нам ответы — каки-
ми бы они ни были, — и мы должны быть готовы к этому.

жүктеу/скачать 8,11 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: