Проста правда про фізику

Абрахам Леб

На одному з недавніх наукових семінарів мій постдок поставив запитання, яке неабияк збило мене з пантелику: “Чи повинні ми зробити наші теоретичні моделі складнішими, щоб вони не здавались такими тривіальними?”. Оскільки ця пропозиція мене дуже здивувала, я відчув, що мушу розкрити причини свого здивування. “Простота — це чеснота, а не недолік, — відповів я своєму постдоку. — Надмірна математична гімнастика потрібна для того, щоб заповнити прогалини у тих галузях теоретичної фізики, в яких є нестача експериментальних даних. Але фізики повинні прагнути до найпростіших пояснень. Це жива кров нашої науки і основне мірило успіху”.

Птолемеївська модель небесних сфер була математично набагато складнішою, ніж модель Коперніка.

Десятиліттями люди були переконані, що наша проста модель раннього Всесвіту, яка описувалась невеликою кількістю основних параметрів, була наївною й породженою насамперед нестачею інформації. Але у 21 столітті вчені таки зібрали достатньо даних, які підтвердили, що наш Всесвіт і справді розвинувся з найпростішого початкового стану, в якому він був майже гомогенним та ізотропічним, а невеликі флуктуації згодом породили складні структури, такі як галактики, які ми бачимо у ньому сьогодні. Ця проста космологічна модель, що існує вже майже століття, нині є основою сучасної космології.

На сьогоднішньому висококонкурентному ринку праці молоді науковці часом хочуть здивували своїх старших колег статтями, які лякають своєю математичною складністю. Мій інший знайомий постдок якось сказав: “Модний тренд у моїй сфері досліджень полягає у написанні довжелезних статей, інколи на сотні сторінок. І я сам стою перед стратегічною дилемою: чи мені самому писати такі довгі і складні проєкти, чи, можливо, зосередитись на коротких, вдумливих статтях?”.

Зрозуміло, що робота над довгими статтями вимагає більше поту, але хіба наука — це не важка праця? Не обов’язково. Наше завдання як науковців полягає в тому, щоб пояснювати феномени за допомогою найпростіших теорій, чиї передбачення можна протестувати новими експериментами. В дусі бритви Оккама це можна виразити так: якщо відповідь проста, то чи потрібно робити її складнішою?

Довготермінові, великі проєкти можуть краще залучати кошти інвесторів, оскільки їхні результати є більше передбачуваними, але їхній спадок може бути менш впливовим, ніж короткі повідомлення про неочікувані результати. Розлогі дискусії привертають увагу меншої кількості читачів, тож природно, що й поцінувати їх можуть хіба поверхнево. З іншого боку, короткі, доступні статті часто стимулюють подальшу роботу ширшої спільноти вчених. Всупереч наївним переконанням, саме інтелектуальна привабливість коротких, але оригінальних досліджень збільшує шанси вченого на ринку праці.

Натомість в бік складності часто тягне саме старших колег, які прагнуть як надати своїй роботі більше відтінків, так і зробити її менш доступною для рецензентів. Хоча витонченість часто цінують як ознаку еліти, науці можна зробити більшу послугу, якщо викладати свої думки в простих і доступних термінах. Коли мене запитують репортери, як мені вдається пояснювати речі так просто, я відповідаю, що описую лише те, що розумію, і прямо признаюсь у тому, чого не знаю. Складність буває потрібна саме як димова завіса, що має приховати невтішну картину некомпетентності вченого.

Фізик Річард Фейнман якось сказав: “Так само, як поети часом відступають від правил граматики і вимови, ми б хотіли запитати, чи можуть фізики дозволити собі аналогічну ‘вільність’ відступу від правил математики, щоб висловити те, що ми хочемо сказати, так просто, наскільки це можливо”. І справді: оригінальна дисертація Луї де Бройля про подвійну корпускулярно-хвильову природу елементарних частинок була дуже короткою і простою, проте вона принесла автору Нобелівську премію вже через п’ять років після публікації.

Прості здогадки можуть ставатись негайно й зумовлювати те бентежне почуття, яке математик Анрі Пуанкаре називав “негайним просвітленням”. Коли Джуліан Швінгер та Річард Фейнман висунули два різних пояснення експериментальних даних у сфері квантової електродинаміки, з математичного погляду було незрозуміло, який підхід обрати, аж поки молодий Фрімен Дайсон, якому тоді було лише 24 роки, елегантно не продемонстрував, що два підходи насправді рівноцінні. Раптова здогадка відвідала Дайсона під час поїздки автобусом американської компанії “Ґрейхаунд”. Як сказав сам Дайсон, “я не можу судити про те, чи справді ця робота настільки добра, наскільки вона може бути, але я впевнений, що вона є найкращою річчю, яку я коли-небудь робив”. За це доведення Дайсон отримав постійну посаду в Прінстонському інституті передових досліджень разом з Альбертом Ейнштейном. А Фейнман і Швінгер розділили Нобелівську премію завдяки своєму поясненню, яке зробило речі у фізиці набагато зрозумілішими.

Складна теорія часто потребує дуже точного налаштування параметрів. Що “тонкіше” налаштованою є теорія, тим менше пояснювальної сили вона має стосовно простішої правди. Класичний приклад — це математично дуже складно теорія епіциклів Птолемея, яка описує рух планет, порівняно з набагато простішою ньютонівською альтернативою. Така сама засторога повинна діяти і сьогодні, коли космологи здійснюють зворотну інженерію своїх теорій й використовують нові параметри, щоб вмістити експериментальні дані. Я обґрунтував цю думку у своїй недавній статті, яку я написав разом з Феразом Ажаром, філософом-постдоком з Гарвардської ініціативи чорних дір, який під час формулювання цієї ідеї саме реалізував свої амбіції на ринку праці, прийнявши пропозицію стати членом кафедри.

Хоча прості інсайти часто здаються тривіальними у ретроспективі, їхнє відкриття є рідкісним привілеєм. Складні аргументи, які народжуються після важкої роботи, можна порівняти з плодами, які ростуть високо: вони постійно у полі зору, але їх важко дістати. З іншого боку, рідкісні проникливі здогадки нагадують плоди, що ростуть низько, але приховані від зору. Ці дві опції — це єдине, що можуть робити науковці, коли усі плоди, які є видимими і ростуть низько, уже зібрані.