Машина знаний. Как неразумные идеи создали современную науку - Майкл Стревенс

Постулирование странности привнесло в «зоопарк» некоторую дисциплину в виде формулы, связывающей странность частиц с их электрическим зарядом и некоторыми другими известными свойствами. Оно также объяснило загадочно долгое время, которое требовалось лямбда-частице для распада: оказалось, что распад не может произойти без изменения количества странностей в окружающем мире. Это не предотвращает распад полностью, но значительно тормозит, позволяя лямбде задержаться на несколько дополнительных долей наносекунды перед распадом.

Странность была лишь первым из открытий Гелл-Манна о структуре материи. В 1961 году он опубликовал «Геометрическую организацию адронов», класса частиц, который включает протоны, нейтроны и большинство других элементарных частиц. Эта схема распределяла адроны по нескольким различным группам в соответствии с тем, что Гелл-Манн назвал «восьмеричным способом».

Восьмеричный способ можно представить как организацию заданного набора из восьми частиц – «октета» – в таблице, где строки соответствуют номеру странности частиц, а столбцы – их электрическому заряду (рис. 10.11). В октетах существует глубокая симметрия, которую невозможно отобразить на бумаге – для этого нужно гораздо больше, чем два пространственных измерения, – но которая при этом математически закодирована в так называемой группе симметрии SU (3). Достаточно сказать, что в глазах Гелл-Манна и других физиков-теоретиков такое расположение частиц несло в себе некую формальную красоту, математическую правильность, которая полностью соответствует порядку, отображаемому в квинарианской системе или на диаграмме Бирхтферта.

Через пару лет Гелл-Манн пришел к выводу, что его октеты вместе с «декуплетом» из 10 более экзотических частиц указывают на более глубокий организующий принцип в природе. Точно так же, как сложная структура диаграммы Бирхтферта генерируется квартетом – горячий, сухой, влажный и холодный – а структуры приверженцев квинарианской системы генерируются повторяющейся пятикратной симметрией, так и октеты и декуплеты были порождены принципом трех элементов, триплетов, называемым «фундаментальным представлением» SU(3). Гелл-Манн ухватился за эту троичность, выдвинув гипотезу о том, что все частицы в октетах и декуплетах были построены из более фундаментальных частиц, кварков, которых существовало три вида: верхние, нижние и странные (вместе с их «античастицами»). Протон, например, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего» кварка, в то время как положительный пион состоит из одного «верхнего» кварка и одного «нижнего» антикварка. Некогда уникальная лямбда-частица оказывается ничем иным, как объединением верхнего кварка, нижнего кварка и (конечно же) странного кварка.

Рисунок 10.11. Октет Гелл-Манна, содержащий протон и нейтрон. Строки имеют одинаковое значение странности; столбцы имеют одинаковое значение заряда. В центре находится лямбда-частица, обозначенная Λ0

Погоня за красотой привела к истине: почти все современные ученые признают реальность кварков (которых, как теперь выясняется, существует шесть видов: три гелл-манновских и еще три гораздо более крупных). Однако в 1961 году Гелл-Манн уже не мог отстаивать восьмеричную систему только из-за очарования ее симметричности, лишь ради утоления своей жажды прекрасного. Нужны были веские доказательства. Частью этого доказательства была способность теории объяснить наблюдаемые свойства многочисленных частиц; еще лучше подошло бы новое предсказание, впоследствии подтвержденное наблюдением. С эмпирической, а не с эстетической точки зрения, это было бы признаком установленной истины.

В июле 1962 года на конференции в ЦЕРНе, в Швейцарии, было объявлено об открытии двух новых частиц кси: [зн] и [зн]. Гелл-Манн, сидевший в тот день в аудитории, понял, что новые частицы, наряду с семью ранее известными, заполнят все лакуны, кроме одной, в потенциальном декуплете из 10 частиц, показанном на рисунке 10.12. Подобно квинарианцам, которые ввели дополнительные семейства рапторов для завершения своих элегантных пятиступенчатых таксономических кругов (рис. 10.4), или Д’Арси Томпсону, который вывел структуру отсутствующей части бедренной кости камптозавра, чтобы сохранить простоту и непрерывность своих геометрических преобразований (рис. 10.10), Гелл-Манн предположил, что эта дополнительная частица должна существовать для того, чтобы поддерживать красоту восьмеричного принципа. Во время дискуссии он неторопливо подошел к доске, нарисовал декуплет с его наводящим на размышления промежутком, а затем заполнил этот пробел, смело предсказав существование новой частицы с определенным зарядом, странностью и массой, омега-минус – названной так потому, что омега – последняя буква греческого алфавита, что в метафорическом плане должно было отражать завершение схемы.

Рисунок 10.12. Декуплет, который должен быть завершен частицей, заполняющей серую зону в левом нижнем углу, то есть отрицательно заряженной частицей с числом странности –3. Гелл-Манн предсказал существование такой частицы: омега-минус

Рисунок 10.13. Важный аргумент для научного спора: характерная сигнатура частицы омега-минус. Слева – фотография дорожек пузырьковой камеры, регистрирующих траектории различных частиц, образующихся в результате столкновения протона с каоном. В пузырьковой камере обнаруживаются только электрически заряженные частицы; нейтральные частицы невидимы, и поэтому необходимо определять их траектории. Справа приведена схема важнейших элементов изображения (с предполагаемыми траекториями нейтральных частиц, показанными пунктирными линиями). Каон (K- под номером 1 на схеме) входит в нижнюю часть. Сама омега-минус (Ω- под номером 3) существует лишь короткое время, прежде чем распадется на предполагаемую частицу xi (Ξ0) и отрицательный пион (π- под номером 4)

Недостающая частица была обнаружена на Лонг-Айленде в 1964 году, благодаря синхрофазотрону с переменным градиентом. Ее удалось увидеть в большой новой пузырьковой камере Брукхейвенской национальной лаборатории. Это было именно то, чего требовало железное правило: эмпирическая проверка. Гелл-Манн предсказал омега-минус, и, конечно же, она – или, скорее, характерная для нее сигнатура пузырьковой камеры, показанная на рисунке 10.13, – была замечена. Мюррей Гелл-Манн получил свою Нобелевскую премию.

Я хочу обратить ваше внимание на нечто довольно необычное, происходящее за пределами этой потрясающей картины открытий. Гелл-Манн неоднократно заявлял о своей верности платоновской заповеди о том, что истина и красота неразрывно связаны, заявив, например, в неформальной беседе, что красота, простота и элегантность являются «главным критерием выбора правильной гипотезы». Однако он, опять-таки, не обращался к этому критерию в своих официальных публикациях о восьмеричной системе, как и его коллеги-физики. Пролистайте страницы журналов Physical Review или Physics Letters: там вы не найдете ни призывов к использованию красоты как доказательного критерия, ни аргументов, основанных на изяществе или очаровании теории, хотя авторы, возможно, втайне надеются, что вкусы читателей сойдутся с их собственными. Причина заключается все в том же железном правиле, заставляющем учитывать только эмпирическое тестирование.

Космолог Брайан Грин кратко резюмирует это следствие узкого видения железного правила в своей книге «Элегантная Вселенная»[2]. Хотя физики «делают выбор и выносят суждения о направлении исследований, в котором следует использовать частично завершенную теорию», которая иногда «основана на эстетическом чувстве – чувстве того, что теории обладают элегантностью и красотой структуры наравне с миром, который мы воспринимаем», тем не менее…

«…эстетические