Лизе Мейтнер
Борис Дружинин
«Квантик» №10, 2016
В 1946 году по версии Женского национального пресс-клуба США «Женщиной года» стала Лизе Мейтнер. Кто она? Эстрадная певица или киноактриса? Королева красоты? Нет. Государственный деятель? Тоже нет. Так кто же она, Лизе Мейтнер?
Косметическая физика
Лизе родилась 7 ноября 1878 года в столице Австрии Вене. В женской гимназии Лизе явно превосходила одноклассниц в точных науках: арифметике, алгебре, а потом и в химии и физике. Впрочем, всё получалось не так гладко — никак не удавались ей лабораторные работы. То реактивы перепутает, то пробирку разобьёт, а то и вовсе устроит короткое замыкание.
По окончании школы Лизе Мейтнер, несмотря на лабораторные неудачи, твёрдо решила стать учёным и в 22 года поступила в Венский университет. Ей удивительно повезло. Физику в университете преподавал сам Людвиг Больцман — отец молекулярно-кинетической теории газов. Он очень скоро заметил способности Лизе и стал выделять её среди остальных студентов.
Как физик-теоретик, Больцман с пониманием относился к её лабораторным проблемам и загружал в основном теоретическими задачами. И добился своего.
В 1905 году Лизе Мейтнер защитила диссертацию по физике и получила степень «доктор философии». Вы скажете: «А что здесь особенного?». А особенное то, что к тому моменту лишь несколько женщин защитили физико-математическую диссертацию. За 30 лет до этого степень доктора получила наша соотечественница Софья Ковалевская. А за несколько лет до Мейтнер защитилась Мария Склодовская-Кюри.
Рассказывают забавный курьёз, что Лизе Мейтнер читала в Берлинском университете важную лекцию, а одна из газет опубликовала об этом сообщение. Название лекции «Проблемы космической физики» какому-то журналисту показалось немыслимым для женщины, и в газете было напечатано: «Проблемы косметической физики».
Взятие Берлина
После защиты диссертации Мейтнер перебралась в Берлинский университет, где её наставником стал ещё один замечательный учёный, отец квантовой физики Макс Планк.
Везло Лизе на великих физиков. А спустя 20 лет, в 1926 году, Мейтнер стала профессором Берлинского университета. Она оказалась первой женщиной в Германии, достигшей таких высот в науке.
Здесь Лизе встретила Отто Гана. Знакомство оказалось на редкость плодотворным. Ещё бы! Блестящий физик-теоретик, ученица Больцмана и Планка, и великолепный химик-экспериментатор — «мастер на все руки». Они проработали вместе больше 30 лет и совершили много открытий. Первый по-настоящему большой успех пришёл к ним в 1917 году. После серии тонких экспериментов они открыли первый долгоживущий изотоп протактиния. Их многолетнее сотрудничество в конце концов увенчалось Нобелевской премией, но об этом позже.
Трансурановая гонка
Интересное и счастливое время для физиков совпало с началом XX века. Загадочные икс-лучи Вильгельма Рентгена и таинственная радиоактивность Антуана Беккереля поставили учёных в тупик. Макс Планк выдвинул идею квантования, и, используя её, Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект.
Жан Перрен предложил планетарную модель атома, и Эрнест Резерфорд экспериментально её подтвердил. Несогласованность этой модели с законами классической физики сгладил Нильс Бор своей квантовой механикой. А некоторые тёмные места квантовой механики осветил идеей корпускулярно-волнового дуализма Луи де Бройль.
Открытый Джеймсом Чедвиком в 1932 году нейтрон сразу пристроили к делу. Энрико Ферми предложил такую схему осуществления ядерных реакций. Надо облучать какое-либо вещество потоком нейтронов. При захвате нейтрона ядром атома этого вещества возможен распад этого или другого нейтрона на электрон, протон и нейтрино (β-распад), отчего заряд ядра увеличивается на единицу. А это уже ядро атома следующего элемента таблицы Менделеева. Естественно, получать таким способом уже известные элементы неинтересно. А что если попробовать облучать уран и получать элементы, в природе не встречающиеся?
Физикам всего мира эта идея пришлась по душе. И началась гонка за трансурановыми (следующими в таблице Менделеева после урана) элементами.
Лидировали поочерёдно итальянцы во главе с Ферми, возглавляемые Резерфордом англичане, французы под руководством супругов Жолио-Кюри. В США гонку возглавляли Эдвин Макмиллан и Гленн Сиборг, в Германии — Ган и Мейтнер. Помимо чисто научного интереса это была ещё и погоня за Нобелевской премией. У Резерфорда премия уже была, а остальные скоро получили. Все, кроме Лизе Мейтнер.
Идея Иды Ноддак
Уже в том же 1932 году Ган и Мейтнер и независимо от них Фезер и Харкинс осуществили ядерные реакции с участием нейтронов, но трансурановых элементов пока не получили и радиоактивности не наблюдали. А два года спустя Энрико Ферми обнаружил искусственную радиоактивность, обусловленную действием нейтронов. Он предположил, что это радиоактивность трансуранового элемента.
Всё было бы хорошо, но немка Ида Ноддак показала, что доводы Ферми неубедительны. Более того, она сделала совершенно невероятное предположение. Основываясь на результатах экспериментов Ферми, она объяснила наблюдаемую в этих опытах радиоактивность так: «Можно было бы допустить, что ядра урана распадаются на несколько осколков, которые представляют собой радиоактивные изотопы уже известных элементов».
Ида Ноддак не предложила ни экспериментального доказательства, ни теоретического обоснования. К тому же эта гипотеза противоречила общим представлениям физиков-ядерщиков того времени — считалось, что нейтрон с такой маленькой энергией не может расщепить ядро атома. Ферми холодно отнёсся к критике своей работы. Поддерживал его и Отто Ган. По иронии судьбы именно Ган впоследствии поставил эксперименты, результаты которых доказали расщепление ядра.
Прощай, Германия!
В 1933 году к власти в Германии пришли нацисты. А в 1938 году Германия присоединила Австрию, и Мейтнер потеряла защиту, которую давало австрийское гражданство. И хотя ещё в 1908 году Лизе Мейтнер крестилась, обратившись в лютеранство, ей, как еврейке, жить на территории Германии стало опасно. До её научных достижений вождям Третьего рейха не было никакого дела.
С помощью друзей Лизе Мейтнер удалось перебраться в Голландию, потом в нейтральную Швецию. Там она приступила к работе в Нобелевском Королевском институте.
Возглавлял институт Карл Манне Сигбан, прекрасный физик, лауреат Нобелевской премии. Но он очень холодно отнёсся к Мейтнер: не обеспечивал её необходимым оборудованием для экспериментов (в лаборатории не было даже омметра, реостатов и конденсаторов), не платил ей денег, а в институтских отчётах указывал как внештатного сотрудника. Но Мейтнер продолжала работать. Жила она на средства от гранта Королевской академии наук, которые были сравнимы с зарплатой лаборанта.
А всё-таки оно делится!
Как быстро летит время! Кажется, совсем недавно молодые учёные Мария и Пьер Кюри изучали только что открытое явление — радиоактивность. Не успели оглянуться, и уже их дочь Ирен облучает уран потоками нейтронов в надежде получить трансурановый элемент. В одной из статей она сообщила, что вместе с сербом Павлом Савичем обнаружила в продуктах облучения урана какой-то элемент, по своим свойствам похожий на лантан. Откуда он там взялся?
Вот когда Отто Ган вдоволь посмеялся. «Похожий?!» Конечно, физики без химиков обойтись не могут.
Дело в том, что атомов вещества, похожего на лантан, насчитывалось всего несколько штук, и чтобы выявить их химические свойства, требовалось провести тончайшие исследования. Разве физики на такое способны?
Но 18 декабря 1938 года именно Отто Ган и Фриц Штрассманн после серии экспериментов обнаружили в продуктах облучения урана тот же лантан, да ещё и барий. Причём не что-то «похожее на лантан», а именно лантан и барий. Немцы боялись поверить самим себе. Облучают нейтронами тяжёлый уран, а получают почему-то элементы среднего веса? Они растерялись.
Плохо стало Гану без Мейтнер. Не мог он понять, откуда взялись лантан и барий. И тогда он тайно отправил через друзей несколько писем Лизе. Она вместе со своим племянником Отто Фришем провела соответствующие расчёты — естественно, с точки зрения физика. Мейтнер убедительно доказала Гану, что не ошиблась Ида Ноддак — лантан и барий появились в результате деления ядра урана.
Страшная сила
Мейтнер и Фриш не только смогли правильно обосновать результаты Гана и Штрассманна, но и оценили энергию, выделяющуюся при распаде одного ядра урана — 200 миллионов электрон-вольт, что в несколько миллионов раз больше, чем в химических реакциях!
Публикация Мейтнер и Фриша вызвала волну экспериментов по всему миру, показавших, что ядро урана действительно делится и что среди осколков, помимо ядер более лёгких элементов, могут оказаться ещё несколько нейтронов, которые, в свою очередь, могут расщепить другие ядра.
А это цепная реакция — взрыв огромной силы! В этот момент стало ясно, как ядерная энергия может быть использована для создания страшного ядерного оружия.
Вместе и врозь
Отто Ган опубликовал серию статей, где описал эксперименты и привёл их результаты. Лизе Мейтнер в числе авторов отсутствовала, её имя даже не упоминалось: Ган продолжал работать в Германии, и упоминать еврейку в качестве соавтора было опасно.
Чтобы не бросить тень на Гана, Мейтнер тоже вынуждена была не упоминать его имени в своих публикациях. Вот так и поделили они результаты работы: Ган описывал химическую составляющую экспериментов, а Мейтнер — физическую.
Отто Ган во время Первой мировой войны был призван на год в армию и служил в спецподразделении по разработке химического оружия, хотя прекрасно понимал, к чему приведёт его применение. А вот Лизе Мейтнер, получив предложение переехать в США для работы в Манхэттенском проекте, где сборная команда учёных стремилась опередить Германию в создании атомного оружия, отказалась, заявив, что не хочет делать бомбу.
После перерыва, связанного с войной, возобновил работу Нобелевский комитет. И в 1945 году премию по химии получил Отто Ган «За открытие расщепления тяжёлых ядер». А Лизе Мейтнер почему-то не наградили, хотя без неё у Гана ничего бы не получилось.
Долго и счастливо
Через несколько лет после войны англичане пригласили Мейтнер работать в Кембридж, и она наконец-то избавилась от «опеки» Сигбана. Работая в Кембридже очень плодотворно, она получила премию Энрико Ферми и медаль Макса Планка. А физиков, награждённых такой медалью, намного меньше, чем лауреатов Нобелевской премии. И не случайно 109-й элемент таблицы Менделеева — Мейтнерий — назван по имени женщины, физика Лизе Мейтнер, а такой чести удостаиваются немногие выдающиеся учёные.
Скончалась Лизе Мейтнер в Кембридже, не дожив всего нескольких дней до своего 90-летия.
10 забавных историй об ученых, попавших в неловкую ситуацию
В забавные и неловкие ситуации иногда попадают все люди, не зависимо от положения, образования и уровня интеллекта.
Даже известные признанные ученые, бывало, совершали какие-то странные поступки, о которых теперь вспоминают с улыбкой.
Сергей Капица — Учите физику!
Сергей Петрович Капица рассказывал:
Дело было в 60-х годах. Группа физиков-ядерщиков из закрытого НИИ поехала на Чёрное море. Все как один — доктора наук. Пришли на бережок, по пути купив несколько бутылок винца с такой пластмассовой крышкой, которую надо срезать ножом. Приходят, приготовились уже — опа! — а бутылки открывать нечем! Видят невдалеке мужичка бомжеватого вида.
— Уважаемый, а у вас не найдётся чего-нибудь, чтоб бутылочку открыть?
— Откроем, как не открыть! Спички есть?
Мужик берёт спички, нагревает пробку и срывает её, размякшую, со словами:
— Физику в школе надо было учить, салаги!
Человек рассеянный — Норберт Винер
Отец кибернетики Норберт Винер славился чрезвычайной забывчивостью. Когда его семья переехала на новую квартиру, его жена положила ему в бумажник листок, на котором записала их новый адрес, — она отлично понимала, что иначе муж не сможет найти дорогу домой.
Тем не менее, в первый же день, когда ему на работе пришла в голову очередная замечательная идея, он полез в бумажник, достал оттуда листок с адресом, написал на его обороте несколько формул, понял, что идея неверна и выкинул листок в мусорную корзину.
Вечером, как ни в чем не бывало, он поехал по своему прежнему адресу. Когда обнаружилось, что в старом доме уже никто не живет, он в полной растерянности вышел на улицу…
Внезапно его осенило, он подошел к стоявшей неподалеку девочке и сказал: — Извините, возможно, вы помните меня. Я профессор Винер, и моя семья недавно переехала отсюда. Вы не могли бы сказать, куда именно?
Девочка выслушала его очень внимательно и ответила:
— Да, папа, мама так и думала, что ты это забудешь.
Лиза Мейтнер — «Проблемы косметической физики»
Лиза Мейтнер — первая в Германии женщина-физик, смогла получить ученую степень в начале 20-х годов. Название ее диссертации «Проблемы космической физики» какому-то журналисту показалось немыслимым, и в газете было напечатано «Проблемы косметической физики».
Нильс Бор — Ваш билет?!
Однажды, находясь в Швеции, знаменитый датский физик Нильс Бор поехал со своими родными и друзьями встречать брата. Прибыв на вокзал, Бор отправился за перронными билетами на всю компанию. Вскоре он вернулся с билетами очень расстроенный и обескураженный.
«Все-таки в Швеции дело поставлено рациональнее, чем у нас в Дании, — грустно сказал он. — У нас билетные автоматы работают на электричестве, а здесь на каждом автомате надпись, предлагающая покупателю прежде чем опустить монету, стать на небольшую площадку. Таким образом, здесь автомат срабатывает за счет силы тяжести, не расходуя дорогой электроэнергии».
Когда встречающие подошли ко входу на перрон, контролер отказался пропустить их.
«Это не перронные билеты, — объявил он Бору. — Это квитанции весов-автомата, на которых вы почему-то взвешивались несколько раз.
Менделеев — Чемоданных дел мастер
Д. И. Менделеев, кроме химии, много времени он посвящал своим хобби — переплетному делу и… изготовлению чемоданов.
Рассказывают такой случай.
Однажды ученый покупал в лавке материалы.
— Кто это? — спросили лавочника.
— Неужели не знаете? — удивился тот. — Известный чемоданных дел мастер Менделеев!
Дмитрий Иванович был очень польщен этой характеристикой.
Всё сам — Исаак Ньютон
Отражательный телескоп Исаака Ньютона, позволивший избавиться от свойственной телескопам-рефракторам хроматической аберрации, произвел в Англии настоящий фурор.
Сам король Карл II внимательнейшим образом изучил прибор и, вдоволь налюбовавшись через него на звезды и планеты, передал новинку в Лондонское королевское общество, которое в январе 1672 года поспешило избрать своим сочленом кембриджского провинциала.
Много лег спустя Кондуитт — родственник ученого — как-то раз поинтересовался у него:
— Скажите, кто же этот искусный мастер, изготовивший зеркало для вашего телескопа?
— Я, зеркало сделал я сам, — простодушно ответил Ньютон.
— Но где же вы достали станки и инструменты?
— И их я сделал сам, — пояснил Ньютон.
— Если бы я ждал, пока кто-то чего-то мне сделает, я вообще никогда не сделал бы ничего.
Тихий американец — Джон Бардин
Джон Бардин дважды получил Нобелевскую премию по физике — в 1956-м и в 1972 году. Это был грузный, спокойный, слегка не уверенный в себе человек с мягким голосом. Студенты, посещавшие его лекции в Университете Иллинойса, называли его Шепчущим Джоном.
Жена Бардина вспоминала, как однажды в 1948-м ее муж приехал с работы, припарковал машину около дома и зашел на кухню, где она в это время готовила ужин. «Ты знаешь, — сказал он тихим, как обычно, голосом, — мы кое-что сегодня открыли» А однажды утром в 1956-м, когда он взбивал яйца на завтрак, по радио передали, что ему и его коллегам присуждена Нобелевская премия.
Реклама
Кроме науки, единственным увлечением в его жизни был гольф. Факультетский коллега Бардина, Чарльз Слихтер рассказывал:
«Однажды в гольф-клубе давний партнер по игре обратился к Бардину с вопросом: „Джон, я давно собирался спросить: а чем ты зарабатываешь на жизнь?“ Вы можете такое представить? Думаю, будь у меня две Нобелевские премии, как у Джона, уж я бы нашел случай об этом обмолвиться».
Находчивый Рентген
Выдающийся немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген получил письмо с просьбой прислать… несколько рентгеновских лучей с указанием, как ими пользоваться. Оказалось, что у автора письма в грудной клетке застряла револьверная пуля, а для поездки к Рентгену у него не нашлось времени.
Рентген был человек с юмором и ответил на письмо так:
«К сожалению, в настоящее время у меня нет икс-лучей, к тому же пересылка их — дело очень сложное. Считаю, что мы можем поступить проще: пришлите мне Вашу грудную клетку».
Игорь Тамм и атаман-математик
Во время гражданской войны будущий лауреат Нобелевской премии по физике Игорь Тамм попал в плен к одной из банд Махно. Увидев на нем городскую одежду, бандиты привели Тамма к атаману — бородатому мужику в высокой меховой шапке, у которого на груди сходились крест-накрест пулеметные ленты, а на поясе болталась пара ручных гранат.
— Сукин ты сын, коммунистический агитатор, ты зачем подрываешь мать-Украину? Будем тебя убивать.
— Вовсе нет, — ответил Тамм. — Я профессор Одесского университета и приехал сюда добыть хоть немного еды.
— Брехня! — воскликнул атаман.
— Какой такой ты профессор?
— Я преподаю математику.
— Математику? — переспросил атаман.
— Тогда найди мне оценку приближения ряда Макларена первыми n-членами. Решишь — выйдешь на свободу, нет — расстреляю.
Тамм не мог поверить своим ушам: задача относилась к довольно узкой области высшей математики. С дрожащими руками и под дулом винтовки он сумел-таки вывести решение и показал его атаману.
— Верно! — произнес атаман. — Теперь я вижу, что ты и вправду профессор. Ну что ж, ступай домой.
Кем был этот человек? Никто не знает. Если его не убили впоследствии, он вполне может преподавать сейчас высшую математику в каком-нибудь университете»…
Артур Эддингтон — Кто третий?
Как-то раз английского астронома Артура Эддингтона спросили:
— Сэр, правду ли говорят, что вы один из трех человек в мире, которые понимают теорию относительности Эйнштейна?
Наступило неловкое молчание — ученый явно затруднялся с ответом.
Тогда спрашивающий поспешил исправить положение:
— Может быть, сэр, я что-то не так сказал? Мне, видимо, сэр, следовало бы догадаться, что вы, сэр, при всей вашей скромности, сочтете мой вопрос несколько бестактным. В таком случае, сэр, позвольте…
— Ничего-ничего, — благодушно прервал его Эддингтон, — Просто я задумался, пытаясь вспомнить, кто же этот третий…
Какое отношение красота имеет к физике? | NOVA
Будучи студенткой Гарварда, Сара Демерс — ныне профессор Йельского университета — не имела той работы, которую вы себе представляете для молодого студента, изучающего физику элементарных частиц. Она не запускала код, не писала уравнения на доске и не просматривала данные в поисках статистически значимых сигналов. Вместо этого она сидела в подвале, превращая 10 000 листов покрытого золотом майлара в инструмент, который должен был войти в ускоритель частиц Фермилаб.
Это была черная, утомительная работа, и она была единственной женщиной в комнате без окон.
Даже после того, как трансформация была завершена, работа и сам инструмент не кричали «гламурно». В своем самодельном, построенном в подвале великолепии детектор выглядел не столько как сложный научный инструмент, сколько как кто-то опрокинул набор дешевых гаражных полок.
Перед тем, как приступить к работе, она думала, что возненавидит ее и, что еще хуже, не поймет лежащей в ее основе физики, что она просто возится с листами фольги.
Но она обнаружила, что понимает, и вскоре смогла понять не только то, как работает этот странный инструмент, но и то, как он поможет раскрыть основы физики. «Я разрешила себе подумать над глубинными вопросами, — говорит она.
Галактика Мессье 104 Внутри ускорителя частиц Фермилаб ее прибор наблюдал, как протоны на почти световой скорости сталкивались со своими противоположностями — антипротонами — и осколки образующихся частиц распадались после катастрофического взрыва. Перематывая это действие назад, физики могли анализировать его в замедленном темпе.
Несмотря на беспорядок обернутого в фольгу приспособления, внимательное наблюдение за фемтомасштабными взрывами помогло ей увидеть свою красоту. «Многие из нас идут в науку отчасти из-за того, насколько красивы теории, — говорит Демерс.
Физики часто описывают свой первый опыт работы с полем как пограничный духовный момент, когда они поняли, что они — они! — могут представлять мир с помощью математики. Они могут описать, как звезды сжимаются в черные дыры, как сильно вы ударитесь головой, если поскользнетесь на банановой кожуре, и как протоны распадаются внутри ускорителей частиц. Эта способность дает им ощущение контроля, как описание чего-либо дает людям власть над этим.
У многих физиков это вызывает желание добраться до самой сути вещей: до теории всего. Такая теория, как часто считают многие физики, должна быть красивой, простой, изящной, эстетичной.
Все силы должны поместиться под одним зонтиком; все частицы должны возникать из вложенного набора уравнений. Никаких «если», «и», «но» или лазеек. Физики иногда используют эти качества и их противоположности — уродство, предостережения, асимметрии — как соответствующие индикаторы «горячего» и «холодного», чтобы вести себя на пути к пониманию, описанию и завоеванию Вселенной.
Нынешний золотой стандарт описания природы реальности, Стандартная модель, не является идеалом для физиков, потому что, среди прочих недостатков, он не идеально симметричен, а то, как он склеивает воедино фундаментальные силы, немного неуклюж. Отчасти поэтому ученые разработали новую идею, называемую суперсимметрией, которая сглаживает и расширяет Стандартную модель, давая каждой из этих частиц старой школы «суперсимметричный» аналог новой школы.
Несмотря на то, что физики элементарных частиц не нашли доказательств суперсимметрии, они продолжают охоту за неуловимыми суперсимметричными партнерами — отчасти потому, что теория более привлекательна с эстетической точки зрения, чем Стандартная модель.
Но не все физики считают, что красота должна считаться косвенным свидетельством в пользу идеи.
Углубившись в свои исследования, Демерс начала сомневаться. Возможно, вселенная была немного уродливой. И с этой мыслью Демерс присоединился к фракции физиков, которые считают, что погоня за красотой как истиной может сбить с пути физику элементарных частиц.
Полусимметрия
Марсело Глейзер, профессор физики в Дартмутском колледже, начал свою карьеру так же, как и Демерс: искал основные объяснения того, почему Вселенная такая, какая она есть. Но около десяти лет назад он почувствовал ту же неуверенность, что и Демерс. «Вы смотрите наружу, и то, что вы видите в природе, на самом деле не является совершенством и симметрией», — говорит он. «Вы видите шаблоны и форматы, которые не совсем идеальны. Животное, дерево, облако, лицо: у них явно есть симметрия, но не идеальная симметрия. Это не совсем совершенство, но почти совершенство».
«Как надумано слишком надумано? И насколько тонкая настройка слишком тонкая?»
Он видел недостатки и в физике.
Например, материи больше, чем антиматерии. Если бы они были идеально сбалансированы и симметричны, они аннигилировали бы друг друга, как частицы в детекторе Демерса, и Вселенная была бы пуста — не было бы физиков, которые задавались бы вопросом, почему, или давали друг другу пять после открытия. красивого, но смертоносного космического баланса. «Что-то произошло в истории ранней Вселенной, вызвавшее это», — говорит он. «Это заставило меня задуматься о том, что, возможно, наша настойчивость в поисках идеальной симметрии — это не физическая идея, а предубеждение».
Прозрение Демерс произошло, когда она составляла заявки на грант для финансирования своей работы после окончания аспирантуры на Большом адронном коллайдере, где был обнаружен бозон Хиггса, так называемая «частица Бога». Около 3000 человек работали вместе с ней в группе инструментов ATLAS, пытаясь открыть для себя физику, выходящую за рамки хорошо зарекомендовавшей себя Стандартной модели. В заявке на грант она также должна была обосновать свой эксперимент и его мотивы.
Она поняла, что некоторые из причин, которые она записала, были чисто эстетическими. Ей стало не по себе. «Лично я был более небрежен в этом, чем должен был», — говорит Демерс. «Меня поразило: вы задаетесь вопросом, насколько мы подготовлены для вынесения эстетических суждений, учитывая то, что мы знаем сейчас?» — добавляет она. «Как надумано слишком надумано? И насколько тонкая настройка слишком тонкая?»
Тысячелетия эстетики
Человеческое стремление к точно настроенному, эстетически приятному космосу восходит к далекому прошлому, чем наша способность строить ускорители частиц. Платон считал, что Вселенная состоит из геометрии: простых, чистых форм, которые deus соединили вместе, чтобы сформировать легоподобную реальность. Достаточно умный человек, рассуждал он, может разорвать эти строительные блоки, чтобы выявить фундаментальные формы.
Ранние астрономы также считали, что орбиты планет представляют собой идеальные окружности. В конце концов, по их мнению, Бог не обрекал планеты на несовершенные орбиты.
Поскольку каждый ранний астроном начинал с этого убеждения, Иоганну Кеплеру потребовалось шесть лет, чтобы понять, что доказательства указывают на непривлекательные эллиптические орбиты. Но когда он позволил экспериментальным данным привести его к заключению, он открыл истину о Вселенной.
После открытия Кеплера, основанного на данных, Исаак Ньютон создал теории силы тяготения, которые описывали, как и почему орбиты на самом деле повторяют эллипсы, хотя его идеи снова возвращались к эстетическому удовольствию. Та же гравитация, которая заставляет яблоки падать нам на голову, также заставляет Землю вращаться вокруг Солнца. Одна прекрасная сила, чтобы контролировать их обоих.
В таком мышлении Глейзер видит другую версию богоугодного стремления древних к идеальным кругам. И в стремлении современных ученых к дальнейшему объединению — например, заставить физику атомов и субатомных частиц работать с классической физикой, управляющей повседневным миром, — он видит обновленный религиозный импульс.
«Идея о том, что есть сила, которая описывает все, — это своего рода монотеистический культурный порок, который у нас есть», — говорит он. «Вырастая в культуре на протяжении двух или трех тысяч лет, где есть бог и центральная власть над вещами, я думаю, что это глубоко укоренилось в головах людей». В некотором смысле физики заменили своего единственного истинного Бога с симметричным ликом одной истинной симметричной теорией.
Возьмите Эйнштейна, который в начале 1900-х сказал, что общая теория относительности слишком прекрасна, чтобы ошибаться. Или физик Поль Дирак, который в 1960-х годах сказал, что элегантность уравнения важнее результата эксперимента. Как будто они оба приняли близко к сердцу слова поэта Джона Китса, написанные в 1820 году: «Красота — это истина, истина — это красота».
Для Демерса и Глейзера эстетика как доказательство теряет свою привлекательность, когда ее принимают… ну… наравне с доказательством. Например, когда Большой адронный коллайдер не смог найти никаких доказательств суперсимметрии, многие теоретики изменили свои представления о суперсимметрии, сказав: «Вот почему мы не видим никаких доказательств» — вместо того, чтобы признать, что, возможно, доказательства указывали на что-то другое.
Туманность Кошачий глаз
Демерс считает, что физика элементарных частиц переживает эпоху, когда данные богаты данными, и что физики должны позволить данным идти впереди. По мере того, как Большой адронный коллайдер продолжает свою работу, он производит все больше и больше доказательств для экспериментов, которые такие физики, как она, анализируют, а затем объясняют теоретикам. «Я думаю, мы с большей вероятностью выиграем, если данные просто заставят нас двигаться в нужном направлении, а не благодаря прекрасной идее, которая эстетически мотивирована и окажется правдой», — говорит она. Другими словами, это не работа физика — писать математические стихи, излагающие платоническую «всеобщность» вселенной. Их работа — описывать физическую реальность, с которой мы взаимодействуем, о которой у нас есть конкретные экспериментальные данные.
Итак, хотя красота может быть истиной, физика на самом деле не является ни поиском истины, ни поиском красоты. Вселенная может быть в своей основе столь же идеально сбалансированной, как сонет Шекспира.
Но если данные экспериментов подсказывают не сонет, а современную поэму в прозе, не менее красивую, просто другую, нетрадиционную и более сложную, то анализировать ее все же обязанность физиков как ученых.
Agnostic Quests
В апреле 2015 года, после двухлетнего перерыва на модернизацию, Большой адронный коллайдер снова заработал. Этим летом ускоритель, включая эксперимент ATLAS, частью которого является Демерс, проведет второй запуск сбора данных при этих более высоких энергиях с большим количеством столкновений частиц. К концу сезона он зафиксирует в два раза больше информации, чем за весь 2015 год. В этих данных, по словам Демерс, физикам все еще следует искать доказательства существования Стандартной модели и суперсимметрии — она не возражает против этих теорий. Но им также следует отправляться на «независимые квесты», говорит она, когда они не ищут что-то конкретное. Вместо этого они должны просто посмотрите и посмотрите, что они найдут.
Туманность Вуаль — это остатки массивной звезды, взорвавшейся 8000 лет назад.
Но некоторые физики могут не захотеть отказываться от своих прекрасных теорий, даже если данные требуют этого. Например, в то время как Большой адронный коллайдер до сих пор не смог продемонстрировать доказательства суперсимметрии, многие, по сути, сказали, что столкновение было недостаточно мощным или что некоторые небольшие модификации — это все, что нужно, чтобы привести любимую теорию в соответствие с собранными данными. .
«Суперсимметрия существует с 1974 года, в течение 42 лет, и на самом деле нет никаких доказательств того, что она существует. Но люди действительно ставят на это свою карьеру», — объясняет Глейзер. «Многие физики потратили на это 40 лет, что составляет практически всю их профессиональную жизнь».
Это может измениться лет через десять или около того, говорит он, когда дальнейшее развитие БАК может заставить прихлебателей сдаться, если нужные им данные не материализуются. «Если мы не найдем доказательств, люди, которые все еще придерживаются их после этого, делают это как философскую практику», — говорит он.
Конечно, вполне возможно, что ответы на вопросы о жизни, вселенной и обо всем будут элегантными. Для таких физиков, как Демерс и Глейзер, проблема не в этом: проблема в априорном предположении, что равно . И если основополагающие принципы Вселенной окажутся уродливыми или скучными, возможно, мы сможем найти красоту за всем этим беспорядком.
Примечание редактора: для другого взгляда на красоту в физике читайте « Как изменится физика — и мир — через 100 лет .
Авторы изображений: NASA/ESA/HEIC/Группа наследия Хаббла (STScI/AURA), NASA/STScI/AURA, NASA/ESA/Группа наследия Хаббла
Получать электронные письма о предстоящих программах NOVA и соответствующем контенте, а также представлял репортажи о текущих событиях через призму науки.
Почтовый индекс
Проблемы с красотой – Physics World
Взято из сентябрьского номера журнала Physics World 9 за 2018 г.0026
Дэвид Аппелл отзыва Потерянные в математике: как красота сбивает физику с пути Сабина Хоссенфельдер
Физика потеряна?
Конечно, нет.
Физики заняты везде: квантовой запутанностью, стерильными нейтрино, изменением климата и экзотическими материалами. В этом десятилетии было сделано два исторических открытия — бозон Хиггса и гравитационные волны, — которые подкрепили наши лучшие теории большой и малой Вселенной. Часто пророчат, что конца физики не видно. Есть над чем работать — природа темной материи и темной энергии, квантовая теория гравитации, топологические материалы. Но «потерял?» Конечно нет.
Сабина Хоссенфельдер не соглашается, и в своей книге Затерянные в математике: как красота сбивает физику с пути она объясняет, почему. Физик-теоретик из Франкфуртского института перспективных исследований, исследующий возможные экспериментальные признаки квантовой гравитации, Хоссенфельдер вовсе не удовлетворен многими идеями современной физики частиц и пространства-времени. Это темы, которые украшают обложки научных журналов: суперсимметрия, теория струн, браны, М-теория и дополнительные измерения. Пейзаж и его 10 500 ложный вакуум.
Мультивселенная вселенных, которую мы, возможно, никогда не достигнем или даже не узнаем. Аксионы. Эти идеи не имеют экспериментальной поддержки, но, подобно зомби, они никогда не умирают. «БАК не видел ничего, что подтверждало бы наши недавно изобретенные законы природы», — пишет она о главном ускорителе частиц ЦЕРНа — Большом адронном коллайдере (БАК). Физика элементарных частиц находится в застое и, по словам Хоссенфельдера, даже в полномасштабном кризисе.
В истории физики были времена, когда экспериментальные данные о частицах вылетали из лабораторий, как конфеты, которые теоретики поглощали и превращали в гипотезы, статьи и, наконец, модели. 1950-е и 1960-е годы были таким временем, когда открывались новые барионы, такие как Σs и Δs. Теоретики, засучив рукава, ломали голову над лавиной данных и создали кварковую модель, квантовую хромодинамику, электрослабую унификацию и ныне широко принятую Стандартную модель.
Но не каждое десятилетие может быть Рождеством, и с тех пор не появлялось такого изобилия новых необъяснимых данных.
Не привязанные к экспериментам, теоретики стали полагаться на другие ценности, а не на соответствие реальности — такие понятия, как красота, элегантность, простота и естественность, и это лишь некоторые из наиболее известных. Они работали раньше, студенты-физики учатся (даже если эти качества никогда не определяются) и являются хорошими звездами для управления вашей лодкой. Но «почему законы природы должны заботиться о том, что я считаю красивым?» — спрашивает Хоссенфельдер. «Чем больше я пытаюсь понять зависимость моих коллег от красоты, тем меньше в этом смысла».
Почему законы природы должны заботиться о том, что я считаю красивым?
Сабина Хоссенфельдер
Недавние экспериментальные успехи — плод старой науки. Хиггс был предсказан за 48 лет до его экспериментального открытия в 2012 году; гравитационные волны, целый век назад. Но сегодняшняя физика элементарных частиц ставит экспериментаторов и теоретиков в затруднительное положение — теоретикам нужны экспериментаторы, чтобы подтвердить или опровергнуть их модели, но эксперименты с частицами стали настолько масштабными и дорогими — по одной оценке, поиск частицы Хиггса стоил 13,25 миллиарда долларов — что экспериментаторам нужны теоретики, чтобы сказать им, где искать и что искать.
Спонтанных открытий мало, как в золотой период. — Кто это приказал? — сказал Исидор Раби при открытии мюона, — но сегодняшнее меню — только шведский стол, никаких отклонений не допускается.
Возьмем суперсимметрию (SUSY), теоретическую пространственно-временную симметрию, которая связывает бозонную частицу с целым спином с каждым фермионом с полуцелым спином. Он изучен до изнеможения, но отказывается появляться на БАК. Многие теоретики были уверены, что так и будет. Говорят, SUSY слишком красива, слишком элегантна, чтобы не появляться на природе. Он решает большие проблемы, такие как предсказание массы бозона Хиггса, без необходимости «точной настройки» — объяснения — как большие числа уравновешиваются примерно до одной части из 10 15 . В предсказании SUSY для массы бозона Хиггса фигурируют только «натуральные» числа первого порядка; нет тонкой настройки. (Естественность — это идея о том, что безразмерные отношения величин в уравнениях теории не должны сильно отличаться от единицы, и никакие параметры не должны быть точно настроены, чтобы обеспечить чудесное аннулирование.
) Тем не менее, каждое обновление энергии на БАК дает пшик.
Хоссенфельдер обращается к физикам, чтобы спросить их, почему их идеи не работают. Майкл Кремер, возглавляющий группу новой физики на БАК и работающий над суперсимметрией, говорит ей, что он «честно запутался». Он добавляет: «Я думал, что что-то должно произойти. Но сейчас? Я смущен.” Она едет в США, чтобы появиться в офисах знаменитостей, в том числе лауреатов Нобелевской премии Фрэнка Вильчека и Стивена Вайнберга. Она считает Вайнберга величайшим из ныне живущих физиков — его офис в Остине, штат Техас, в два раза меньше ее, отмечает она, «это наблюдение испаряет те небольшие амбиции, которые у меня когда-либо были, чтобы получить Нобелевскую премию». В то время как он читает ей почти идеальную лекцию обо всех своих размышлениях и идеях, в том числе говорит, что у него «вся карьера не знает, что такое квантовая механика», он тоже разочарован нехваткой новых частиц с БАК. В конце концов он хрипит и заканчивает ее визит выходом из собственного кабинета.
Возможно, физика соскользнула в постэмпирическую эру, за пределами наших технических возможностей, с идеями, оцениваемыми по тому, что бывший физик, ныне философ Ричард Давид, называет «оценкой неэмпирической теории». Хоссенфельдер вздрагивает от таких разговоров. «Не могу поверить, во что превратилась эта когда-то почтенная профессия, — пишет она. Она критикует предвзятость на арене финансирования, когда ученые работают над тем, что в моде, чтобы поддерживать поток грантовых денег. «Почти у всех ученых сегодня есть нераскрытый конфликт интересов между финансированием и честностью». Это поразительно, если это правда, но кто не удивляется?
Хоссенфельдер — хороший писатель, веселый и самокритичный, проницательный в науке и не боящийся обидеть. Несмотря на название, в ее книге нет ни одного уравнения. Как читатель, я чувствовал, что участвую в ее путешествии, чтобы разобраться в выбранной ею профессии, и мне понравилось это путешествие. «В то время как я была свидетелем того, как моя профессия скатилась в кризис, я столкнулась с моим личным кризисом», — признается она.