Именно на этом этапе физикам так необходим этот исключительно полезный инструмент: математика… Но в данном случае мы предпочтем объяснять суть явлений, не пользуясь математикой. Мы увидим, что множество интересных выводов можно сделать и без нее!

Экспериментировать

Физика не должна натыкаться на некоторые подводные камни. Порой абсолютно противоположные теории пытаются объяснить какое-то наблюдение. Какая же из них верна? Чтобы это узнать, необходимо провести опыты, которые проверят предположения этих разных теорий. Подобное «испытание огнем» мучительно для физиков-исследователей, ведь долгие годы напряженного труда могут закончиться вердиктом «не соответствует реальности, следовательно – ложно», который предаст теорию забвению… А искушение отринуть накопившиеся факты так сильно.

Если проведено достаточно опытов, в идеале должна выстроиться единственно правильная теория. Самые горячие споры современной науки касаются областей, где опыты проводить очень сложно – это мир бесконечно большого (астрофизика и космология) и мир бесконечно малого (физика элементарных частиц).

БРИТВА ОККАМА

Иногда две теории могут долго конкурировать друг с другом так, что ни от одной из них невозможно решительно отказаться. То же самое бывает, когда мы не можем решить, какое количество опытов будет достаточным.

История науки свидетельствует, что, как правило, верной оказывается теория, для построения которой использовалось наименьшее количество гипотез, если она подтверждается всеми последующими опытами: это правило «бритвы Оккама», названное так по имени философа Уильяма Оккама, который сформулировал его в XIV в. Другими словами, теория наиболее простая, наиболее «элегантная» является верной.

Самый знаменитый пример – соперничество теории, согласно которой Земля является центром Вселенной, с утверждением Коперника, что Земля вращается вокруг Солнца. По мере того как все новые измерения понемногу кое-что уточняли, традиционную теорию приходилось корректировать вновь и вновь, прибавляя все новые искусственные круги к небесному своду (эпициклы). Коперник же своей простой гипотезой (Земля вращается вокруг Солнца) объяснял все новые измерения с дьявольской точностью. Старая модель рассыпалась в прах, поскольку не могла предсказать новые наблюдения, и сегодня ее нарочитая сложность вызывает улыбку.

Но возможно, сейчас, в начале XXI в., история повторяется: ибо стандартная модель, которая описывает элементарные частицы и их взаимодействие, вынуждена объединять множество частиц, взятых наугад, чтобы соответствовать новым экспериментам. Однако есть такие, кто надеется когда-нибудь увидеть, как бритва Оккама порежет стандартную модель на мелкие куски…

Следует, однако, заметить, что, в отличие от эпохи Коперника, сейчас никакой конкурирующей теории не существует, следовательно, на данный момент стандартная модель является наилучшей.

Как далеко может проникнуть физика в описании мира? Теоретически фундаментальные законы должны позволить объяснить всю совокупность явлений объективного мира. Но на практике речь уже не идет о физике как таковой, когда изучаемые системы становятся слишком сложными, а связь с фундаментальными законами Вселенной слишком тонкой.

Однако самой сложной из всех систем, по всей вероятности, является человеческое тело, а в более широком смысле – вообще все живое. Здесь начинается биология: ввиду сложности рассматриваемых процессов приходится довольствоваться эмпирической констатацией фактов, весьма далеких от фундаментальных законов природы.

Например, почему такой-то ген, состоящий из таких-то атомов, придает волосам каштановый цвет? Нам это неизвестно, и физике приходится признаться в своем бессилии, даже если в конечном итоге окажется, что причиной всему лишь два основополагающих взаимодействия, упомянутые вначале…