Характер физических законов - Ричард Фейнман

У вас может сложиться не совсем правильное представление о науке. Вам может показаться, будто мы все время строим догадки, а затем проверяем их на экспериментах, так что эксперименту отводится подчиненная роль. Но на самом деле экспериментаторы вполне самостоятельные люди. Они любят экспериментировать даже до того, как кто-нибудь что-нибудь придумает, и очень часто работают в таких областях, в которых теоретики заведомо не делали еще никаких догадок. Например, мы можем знать много законов, но мы не знаем, справедливы ли они на самом деле при очень высоких энергиях, так как предположение об их справедливости – всего лишь хорошая гипотеза. Экспериментаторы пытаются ставить опыты с высокими энергиями, и время от времени они сталкиваются с трудностями – то, что мы считали правильным, оказывается неверным. Таким образом, эксперименты могут привести к неожиданным результатам, а это заставляет нас выдвигать новые догадки. В качестве одного примера неожиданного экспериментального результата можно указать на открытие m-мезона и нейтрино, о существовании которых никто не предполагал до тех пор, пока они не были открыты, и даже теперь никто не знает, как можно было бы догадаться о существовании этих частиц.

Конечно, вы понимаете, что такой метод позволяет только опровергнуть любую определенную теорию. Если только у нас есть какая-нибудь теория, какая-нибудь настоящая гипотеза, при помощи которой мы можем обычными методами предсказать результат эксперимента, то этого, вообще говоря, достаточно, чтобы покончить с этой теорией, как бы хороша она ни была. У нас всегда есть возможность опровергнуть теорию, но, обратите внимание, мы никогда не можем доказать, что она правильна. Предположим, что вы выдвинули удачную гипотезу, рассчитали, к чему это ведет, и выяснили, что все ее следствия подтверждаются экспериментально. Значит ли это, что ваша теория правильна? Нет, просто-напросто это значит, что вам не удалось ее опровергнуть. В будущем вы смогли бы рассчитать более широкий круг следствий, провести более широкие экспериментальные исследования и выяснить, что ваша теория неверна. Вот почему у законов типа законов движения планет Ньютона такая долгая жизнь. Ньютон угадал закон всемирного тяготения, вывел из него самые различные следствия для Солнечной системы, сравнил их с результатами наблюдений – и потребовалось несколько столетий, прежде чем было замечено незначительное отклонение движения планеты Меркурий от предсказанного. На протяжении всех этих лет теория Ньютона не была опровергнута, и временно ее можно было считать верной. Но ее правильность никогда нельзя было доказать, потому что уже завтра эксперимент, может быть, покажет вам неправильность того, что вам казалось верным еще сегодня. Можно только удивляться тому, что нам удается придумывать теории, которые выдерживают натиск эксперимента столь длительное время.

Один из верных способов остановить прогресс науки – это разрешить эксперименты лишь в тех областях, где законы уже открыты. Но экспериментаторы усерднее всего ведут поиск там, где вероятнее всего найти опровержение наших теорий. Другими словами, мы стараемся как можно скорее опровергать самих себя, ибо это единственный путь прогресса. Например, сегодня среди обычных явлений с низкой энергией мы не знаем, где найти какую-нибудь неувязку, нам кажется, что здесь все в порядке, а поэтому и нет широкого фронта исследований ядерных реакций или явлений сверхпроводимости, направленных на поиск слабых мест. В настоящих лекциях я сосредоточил все внимание на открытиях фундаментальных законов. Правда, физика в целом, а это не менее важно, включает в себя и другой уровень исследований, интерпретацию явлений типа ядерной реакции или сверхпроводимости с точки зрения этих фундаментальных законов. Но сейчас я говорю о поисках слабых мест, каких-то ошибок в фундаментальных законах, и так как никто не знает, где найти такое место среди явлений низкой энергии, все экспериментаторы сегодняшнего дня, занятые поиском новых законов, ищут их в области высоких энергий.

Я хотел бы еще отметить, что чем менее конкретна теория, тем труднее ее опровергнуть. Если ваша догадка сформулирована плохо или достаточно неопределенно и если метод, которым вы пользуетесь для оценки последствий, не очень конкретен – вы не чувствуете уверенности и говорите: «Мне кажется, что здесь все правильно, так как все это объясняется тем-то и тем-то, а из этого более или менее следует вот это, и похоже, что я могу объяснить, как получается, что…», то ваша теория всем хороша – ведь ее нельзя опровергнуть. Кроме того, если ваш метод расчетов последствий недостаточно четок, при некоторой ловкости всегда можно сделать так, чтобы результаты экспериментов были похожи на предполагаемые последствия. Возможно, вы знаете об этом по собственному опыту в других областях. Некто ненавидит свою мать. Причина, конечно, в том, что она не заботилась о нем и не любила его достаточно, когда он был маленьким. Но если вы начнете раскапывать прошлое, то окажется, что на самом деле мать его очень любила и все у них было хорошо. Ну, тогда ясно, она его слишком баловала! Как видите, расплывчатая теория позволяет получать любой результат. Поправить ее можно было бы следующим образом. Если бы вы смогли в точности и заранее определить, сколько любви недостаточно, а сколько чересчур много, то мы могли бы построить совершенно законную теорию, пригодную для экспериментальной проверки. Но стоит об этом заикнуться, как вам скажут: «Такие точные определения невозможны, когда речь идет о психологии». Но раз так, то нельзя утверждать, что вы что-нибудь знаете.

Вы можете ужаснуться, но у нас в физике есть примеры точно такого же типа. У нас есть эти слабые симметрии, с которыми приходится иметь дело следующим образом. У вас есть какая-то слабая симметрия, и вы вычисляете последствия в предположении, что она совершенно точная. Сравниваем результаты расчетов с экспериментом и видим, что они расходятся. Ну, ясно, ведь симметрия, о которой идет речь, только приближенная, так что если опыт согласуется с расчетами удовлетворительным образом, вы говорите: «Прекрасно!», а если они плохо согласуются между собой, вы говорите: «Здесь мы сталкиваемся со случаем особой чувствительности к нарушению симметрии». Это, конечно, смешно, но нам приходится двигаться вперед именно таким образом. Когда область исследования нова, а с новыми элементарными частицами мы познакомились совсем недавно, такой самообман, такое «прощупывание» наугад и составляет первые шаги науки. Относительно принципов симметрии физики справедливо все то, что можно сказать и о психологии, так что не нужно слишком смеяться. Вначале нужно только быть очень осторожным. При помощи расплывчатых теорий такого рода легко забраться в глухой тупик. Опровергнуть подобную теорию нелегко, и, для того чтобы в такой игре не оказаться выброшенным за борт, требуются немалая смекалка и опыт.

На этом пути угадывания, вычисления следствий и сравнения с экспериментальными результатами можно застрять в самых разных местах. Можно застрять на стадии угадывания, когда у нас нет плодотворной идеи. Или можно застрять при вычислении последствий. Например, Юкава[28] в 1935 г. предложил теорию ядерных сил, но никто не может рассчитать ее следствий из-за чисто математических трудностей, а следовательно, невозможно и проверить эту теорию на эксперименте. Эта теория оставалась в нетронутом виде в течение длительного времени, пока мы не открыли все эти дополнительные частицы, которых совершенно не предвидел Юкава, а следовательно, не все обстоит так просто, как считает его теория. Еще одна стадия, на которой можно застрять, – это стадия эксперимента. Например, квантовая теория гравитации продвигается вперед очень медленно, если только вообще продвигается, из-за того, что в любом реально осуществимом эксперименте квантовые эффекты и гравитация никогда не выступают одновременно. Гравитационные силы слишком слабы по сравнению с электрическими.

Но я физик-теоретик и получаю больше удовольствия от теоретической стороны процесса. А поэтому мне хочется более подробно поговорить о том, как делаются догадки.

Как я уже говорил раньше, совсем не важно, откуда родилась та или иная догадка, важно только, чтобы она согласовалась с экспериментом и была по возможности определенной. «Ну, – скажете вы, – да ведь это совсем просто. Нужно построить машину, большую вычислительную машину, со своего рода рулеткой, которая станет предлагать одну за другой разные теории, и каждый раз, как она делает догадку и предлагает гипотезу о свойствах природы, она немедленно вычисляет всякого рода следствия и производит сравнения с некоторым набором экспериментальных результатов, в нее заложенных». Другими словами, догадки – это работа для дурака. На самом же деле все совсем наоборот, и я постараюсь объяснить вам, почему это так.