Murray Gell-Mann: Beauty and truth in physics

Мюррей Гелл-Манн о красоте и истине в физике

Переводчик: Ahmad Ali Редактор:

Thank you for putting up these pictures of my colleagues over here.

Спасибо, что повесили там портреты моих коллег.

(Laughter) We'll be talking about them.

(Смех). Мы поговорим о них.

Now, I'm going try an experiment. I don't do experiments, normally. I'm a theorist.

Я вот сейчас эксперимент проведу. Обычно я не провожу экспериментов. Я теоретик.

But I'm going see what happens if I press this button.

Но всё же посмотрим, что случится, когда я нажму эту кнопку.

Sure enough. OK. I used to work in this field of elementary particles.

Ожидаемо. ОК. Я занимался элементарными частицами.

What happens to matter if you chop it up very fine?

Что случится с материей, если нарубить её мелко-мелко?

What is it made of?

Из чего она сделана?

And the laws of these particles are valid throughout the universe,

Законы, которым подчиняются элементарные частицы, действуют во всей вселенной,

and they're very much connected with the history of the universe.

и они тесно связаны с историей вселенной.

We know a lot about four forces. There must be a lot more,

Мы изрядно знаем о четырёх видах взаимодействия. Их должно быть значительно больше,

but those are at very, very small distances,

но остальные происходят на очень-очень маленьких расстояниях,

and we haven't really interacted with them very much yet.

и мы с ним пока практически не сталкивались.

The main thing I want to talk about is this:

Главная тема моей речи такая:

that we have this remarkable experience in this field of fundamental physics

в фундаментальной физике наблюдается замечательный факт,

that beauty is a very successful criterion for choosing the right theory.

красота — очень хороший критерий выбора верной теории.

And why on earth could that be so?

Как же такое может быть?

Well, here's an example from my own experience.

Вот пример из моего опыта.

It's fairly dramatic, actually, to have this happen.

Производит, надо заметить, сильное впечатление, когда такое случается.

Three or four of us, in 1957,

В 1957 году мы втроём или вчетвером

put forward a partially complete theory of one of these forces, this weak force.

представили неполную теорию одного из этих взаимодействий, слабого.

And it was in disagreement with seven -- seven, count them, seven experiments.

И она противоречила семи -- семи! -- экспериментам.

Experiments were all wrong.

Все эксперименты оказались ошибочными.

And we published before knowing that,

Мы опубликовали статью, ещё не зная этого,

because we figured it was so beautiful, it's gotta be right!

потому что решили: раз теория такая красивая, она обязана быть верной.

The experiments had to be wrong, and they were.

Ошибочными должны были быть эксперименты, и они такими и оказались.

Now our friend over there, Albert Einstein,

Вот тут у нас портрет Альберта Эйнштейна,

used to pay very little attention when people said,

Так Эйнштейн вообще не обращал особого внимания на то, что говорят другие,

"You know, there's a man with an experiment that seems to disagree with special relativity.

"Тут вот один физик провёл эксперимент, который, кажется, противоречит специальной теории относительности.

DC Miller. What about that?" And he would say, "Aw, that'll go away." (Laughter)

Д.К. Миллер. Что вы скажете?" А он отвечал: "Ничего страшного, это пройдёт". (Смех).

Now, why does stuff like that work? That's the question.

Вот и возникает вопрос, как же это может так работать.

Now, yeah, what do we mean by beautiful? That's one thing.

Во-первых, конечно, надо определиться, что значит "красивая" теория.

I'll try to make that clear -- partially clear.

Попробую, отчасти, это объяснить.

Why should it work, and is this something to do with human beings?

Почему этот принцип должен работать, и связано ли это с природой человека?

I'll let you in on the answer to the last one that I offer,

Я скажу вам свой ответ на второй вопрос:

and that is, it has nothing to do with human beings.

Нет, это не связано с природой человека.

Somewhere in some other planet, orbiting some very distant star,

Где-то на другой планете, вращающейся вокруг отдалённой звезды,

maybe in a another galaxy,

в какой-нибудь другой галактике,

there could well be entities that are at least as intelligent as we are,

могут обитать существа не менее разумные, чем мы,

and are interested in science. It's not impossible; I think there probably are lots.

и также заинтересованные в науке. Это не невозможно, мне так кажется, что таких уйма.

Very likely, none is close enough to interact with us.

Весьма вероятно, что все они слишком далеко от нас, чтобы как-то с нами взаимодействовать,

But they could be out there, very easily.

Но они, тем не менее, легко могут быть где-то там.

And suppose they have, you know, very different sensory apparatus, and so on.

И предположим, что у них совсем другие органы чувств, и так далее.

They have seven tentacles, and they have 14 little funny-looking compound eyes,

У них по семь щупалец, 14 маленьких составных глаз,

and a brain shaped like a pretzel.

и мозг в форме кренделя.

Would they really have different laws?

Будут ли у них при этом другие законы природы?

There are lots of people who believe that, and I think it is utter baloney.

Многие люди так и считают, но по-моему это — полная чепуха.

I think there are laws out there,

Я считаю, что природа подчинена законам,

and we of course don't understand them at any given time very well

и мы, конечно, не то что бы хорошо их в каждый конкретный момент времени понимаем,

-- but we try. And we try to get closer and closer.

но мы стараемся. И стараемся всё ближе подойти к пониманию.

And someday, we may actually figure out the fundamental unified theory

И когда-нибудь мы, возможно, создадим фундаментальную единую теорию

of the particles and forces, what I call the "fundamental law."

частиц и сил, которую я называю "фундаментальный закон".

We may not even be terribly far from it.

Может быть, мы даже не безумно далеки от него.

But even if we don't run across it in our lifetimes,

Но даже если на нашем веку мы на него не наткнёмся,

we can still think there is one out there,

всё равно можно думать, что он такой есть,

and we're just trying to get closer and closer to it.

и мы просто стараемся подойти ближе к нему.

I think that's the main point to be made.

По-моему, вот основная идея, требующая осознания.

We express these things mathematically.

Мы выражаем такие законы математически.

And when the mathematics is very simple --

И когда математика очень проста —

when in terms of some mathematical notation,

то есть, когда какая-нибудь математическая нотация

you can write the theory in a very brief space, without a lot of complication --

позволяет записать теорию компактно и без особых сложностей —

that's essentially what we mean by beauty or elegance.

мы и считаем такую теорию красивой или элегантной.

Here's what I was saying about the laws. They're really there.

Вот что я хочу cказать про эти законы. Они существуют объективно.

Newton certainly believed that.

Ньютон определённо в это верил.

And he said, here, "It is the business of natural philosophy to find out those laws."

И он сказал, что "Задача естественных наук состоит в нахождении этих законов".

The basic law, let's say -- here's an assumption.

Основной закон — про него есть предположение.

The assumption is that the basic law really takes the form

Предположение это в том, что основной закон представляет собой

of a unified theory of all the particles.

объединённую теорию всех частиц.

Now, some people call that a theory of everything.

Некоторые называют это теорией всего.

That's wrong because the theory is quantum mechanical.

Такое название неверно, потому что теория относится к квантовой механике.

And I won't go into a lot of stuff about quantum mechanics and what it's like, and so on.

Я не буду сейчас вдаваться в подробности о квантовой механике, что она такое, и так далее.

You've heard a lot of wrong things about it anyway. (Laughter)

Вы и так слышали про неё кучу неверных вещей. (Смех).

There are even movies about it with a lot of wrong stuff.

Про неё даже снимали фильмы с разной ерундой.

But the main thing here is that it predicts probabilities.

Главное в ней то, что она предсказывает вероятности.

Now, sometimes those probabilities are near certainties.

Иногда эти вероятности близки к наверняка.

And in a lot of familiar cases, they of course are.

И в большинстве знакомых случаев это, конечно, так.

But other times they're not, and you have only probabilities for different outcomes.

Но иногда это неверно, и есть только вероятности различных исходов.

So what that means is that the history of the universe is not determined just by the fundamental law.

Из этого следует, что история вселенной определяется не только фундаментальным законом.

It's the fundamental law and this incredibly long series of accidents,

Она определяется фундаментальным законом и невероятно длинной последовательностью случайностей,

or chance outcomes, that are there in addition.

или случайных исходов, впридачу.

And the fundamental theory doesn't include those chance outcomes; they are in addition.

Эти случайные исходы — приложение к фундаментальному закону, а не его часть.

So it's not a theory of everything. And in fact, a huge amount of the information

Так что это не теория всего. На самом деле, огромное количество информации

in the universe around us comes from those accidents,

о вселенной вокруг нас происходит от этих случайностей,

and not just from the fundamental laws.

а не только от фундаментальных законов.

Now, it's often said that getting closer and closer

Часто постепенное приближение

to the fundamental laws by examining phenomena at low energies, and then higher energies,

к фундаментальному закону через изучение явлений при низких энергиях, затем при высоких,

and then higher energies, or short distances, and then shorter distances,

затем при ещё более высоких, или на малых расстояниях, а потом ещё более коротких,

and then still shorter distances, and so on, is like peeling the skin of an onion.

и ещё более коротких, и так далее, сравнивают с чисткой лука.

And we keep doing that,

И мы продолжаем этим заниматься,

and build more powerful machines, accelerators for particles.

и строим всё более мощные установки — ускорители частиц.

We look deeper and deeper into the structure of particles,

Мы всё глубже всматриваемся в структуру частиц,

and in that way we get probably closer and closer to this fundamental law.

и за счёт этого вероятно приближаемся к фундаментальному закону.

Now, what happens is that as we do that, as we peel these skins of the onion,

И вот, пока мы чистим понемногу луковицу,

and we get closer and closer to the underlying law,

и приближаемся постепенно к закону в её основе,

we see that each skin has something in common with the previous one,

мы замечаем, что каждый слой имеет что-то общее с предыдущим

and with the next one. We write them out mathematically,

и со следующим. Мы записываем их в виде формул,

and we see they use very similar mathematics.

и замечаем, что они математически похожи.

They require very similar mathematics.

Для их описания используется очень похожая математика.

That is absolutely remarkable, and that is a central feature

Это совершенно замечательное наблюдение, и оно —

of what I'm trying to say today.

главное, о чём я сегодня пытаюсь вам рассказать.

Newton called it -- that's Newton, by the way -- that one.

Ньютон говорил про это — кстати, Ньютон — он на вот том портрете.

This one is Albert Einstein. Hi, Al! And anyway,

На этом — Альберт Эйнштейн. Привет, Ал! Возвращаясь,

he said, "nature conformable to herself" -- personifying nature as a female.

он говорил "Природа весьма согласна и подобна в себе самой"

And so what happens is that the new phenomena,

В итоге получается, что новые явления,

the new skins, the inner skins of the slightly smaller skins of the onion

новые слои, внутренние чуть меньшие слои луковицы,

that we get to, resemble the slightly larger ones.

до которых мы добираемся, похожи на чуть большие.

And the kind of mathematics that we had for the previous skin

И математика, описывающая предыдущий слой,

is almost the same as what we need for the next skin.

почти такая же, как требуется для следующего.

And that's why the equations look so simple.

Вот потому уравнения и выглядят такими простыми:

Because they use mathematics we already have.

мы используем уже имеющуюся математику.

A trivial example is this: Newton found the law of gravity,

Тривиальный пример: Ньютон открыл закон всемирного тяготения,

which goes like one over the square of the distance between the things gravitated.

где сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между взаимодействующими объектами.

Coulomb, in France, found the same law for electric charges.

Во Франции Кулон открыл тот же закон для электрических зарядов.

Here's an example of this similarity.

Вот вам пример сходства.

You look at gravity, you see a certain law.

Смотрим на гравитацию, замечаем некий закон.

Then you look at electricity. Sure enough. The same rule.

Потом смотрим на электричество. Кто бы сомневался, видим тот же самый закон

It's a very simple example.

Это — очень простой пример.

There are lots of more sophisticated examples.

Есть уйма более сложных примеров.

Symmetry is very important in this discussion.

В этой дискуссии очень важна симметрия.

You know what it means. A circle, for example,

Вы знаете что это такое. Круг, например,

is symmetric under rotations about the center of the circle.

симметричен по отношению к поворотам вокруг своего центра.

You rotate around the center of the circle, the circle remains unchanged.

Сколько бы вы ни вертели круг относительно его центра, круг от этого не меняется.

You take a sphere, in three dimensions, you rotate around the center of the sphere,

В трёхмерном пространстве возьмите сферу. Её тоже можно как угодно вертеть вокруг её центра,

and all those rotations leave the sphere alone.

И она остаётся неизменной.

They are symmetries of the sphere.

Это — симметрии сферы.

So we say, in general, that there's a symmetry

В общем случае мы говорим о симметрии

under certain operations if those operations leave the phenomenon,

по отношению к каким-то преобразованиям, если эти преобразования сохраняют явление

or its description, unchanged.

или его описание неизменными.

Maxwell's equations are of course symmetrical

Уравнения Максвелла, разумеется, симметричны

under rotations of all of space.

по отношению к любому повороту пространства в целом.

Doesn't matter if we turn the whole of space around by some angle,

Как бы мы ни поворачивали пространство на какой-нибудь угол,

it doesn't leave the -- doesn't change the phenomenon of electricity or magnetism.

это не изменит явление электричества или магнетизма.

There's a new notation in the 19th century that expressed this,

В XIX веке появилась новая нотация для выражения этой мысли,

and if you use that notation, the equations get a lot simpler.

и с использованием этой нотации уравнения становятся значительно проще.

Then Einstein, with his special theory of relativity,

Затем Эйнштейн, с его специальной теорией относительности,

looked at a whole set of symmetries of Maxwell's equations,

охватил все симметрии уравнений Максвелла,

which are called special relativity.

которые называются специальной относительностью.

And those symmetries, then, make the equations even shorter, and even prettier, therefore.

И все эти симметрии делают уравнения ещё короче и, как следствие, ещё симпатичнее.

Let's look. You don't have to know what these things mean, doesn't make any difference.

Давайте посмотрим. Совершенно необязательно понимать, что эти формулы значат. Это не имеет значения.

But you can just look at the form. (Laughter) You can look at the form.

Достаточно просто посмотреть на форму. (Смех). Посмотрите на форму.

You see above, at the top, a long list

Там, наверху, длинный список

of equations with three components for the three directions of space: x, y and z.

уравнений с тремя компонентами для трёх направлений пространства: x, y и z.

Then, using vector analysis, you use rotational symmetry, and you get this next set.

Применяя векторный анализ, мы учитываем симметрию вращения, и получаем вот этот набор уравнений.

Then you use the symmetry of special relativity and you get an even simpler set

Затем мы используем симметрию СТО и получаем ещё более простой набор, как

down here, showing that symmetry exhibits better and better.

вот здесь, внизу, показывающий, что симметрия проявляется всё лучше и лучше.

The more and more symmetry you have, the better you exhibit the simplicity and elegance of the theory.

Чем больше симметрии, тем лучше выражается простота и элегантность теории.

The last two, the first equation says that electric charges and currents

Из последних двух первое уравнение говорит о том, что все электрические заряды и токи

give rise to all the electric and magnetic fields.

порождают электрические и магнитные поля.

The next -- second -- equation says that there is no magnetism other than that.

Следующее, второе, уравнение утверждает, что никакого другого магнетизма в природе нет.

The only magnetism comes from electric charges and currents.

Весь магнетизм порождается электрическими зарядами и токами.

Someday we may find some slight hole in that argument.

Когда-нибудь мы, возможно, обнаружим какую-нибудь дыру в этой теории.

But for the moment, that's the case.

Но на данный момент это так.

Now, here is a very exciting development that many people have not heard of.

А вот очень интересное развитие этого подхода, о котором мало кто слышал.

They should have heard of it, but it's a little tricky to explain in technical detail,

Слышать-то следовало, но технические подробности довольно сложно рассказать,

so I won't do it. I'll just mention it. (Laughter)

поэтому я не буду. Только упомяну о нём. (Смех.)

But Chen Ning Yang, called by us "Frank" Yang -- (Laughter)

Но Чен Нин Янг, которого мы называни "Фрэнк" Янг — (Смех)

-- and Bob Mills put forward, 50 years ago,

— и Боб Миллз 50 лет назад предложили

this generalization of Maxwell's equations, with a new symmetry.

обобщение уравнений Максвелла, учитывающем новую симметрию.

A whole new symmetry.

Совершенно новую симметрию.

Mathematics very similar, but there was a whole new symmetry.

Математика почти та же, но симметрия совершенно новая.

They hoped that this would contribute somehow to particle physics

Они надеялись, что оно окажется вкладом в физику частиц

-- didn't. It didn't, by itself, contribute to particle physics.

— но нет. Оно, само по себе, не стало вкладом в физику частиц.

But then some of us generalized it further. And then it did!

Но потом нашлись те, кто расширил обобщение. И тут вдруг получилось!

And it gave a very beautiful description of the strong force and of the weak force.

И вышло очень красивое описание сильного и слабого взаимодействий.

So here we say, again, what we said before:

Поэтому я повторю сказанное ранее:

that each skin of the onion shows a similarity to the adjoining skins.

каждый слой луковицы обнаруживает сходство с соседними слоями.

So the mathematics for the adjoining skins is very similar to what we need for the new one.

Поэтому математика прилегающих слоёв очень похожа на ту, которая нужна для нового слоя.

And therefore it looks beautiful

И поэтому она выглядит красиво.

because we already know how to write it in a lovely, concise way.

Потому что мы уже знаем, как записать это в симпатичной и ёмкой форме.

So here are the themes. We believe there is a unified theory underlying all the regularities.

Итого по пунктам. Мы верим, что есть общая теория, лежащая за всеми закономерностями.

Steps toward unification exhibit the simplicity.

Шаги к унификации выявляют простоту.

Symmetry exhibits the simplicity.

Симметрия выявляет простоту.

And then there is self-similarity across the scales -- in other words,

Кроме того, есть самоподобие на разных уровнях шкалы масштабов — другими словами,

from one skin of the onion to another one.

при переходе от одного слоя луковицы к другому.

Proximate self-similarity. And that accounts for this phenomenon.

Близкое самоподобие. Им и объясняется это явление.

That will account for why beauty is a successful criterion for selecting the right theory.

Оно так же объясняет, почему красота — удачный критерий для выбора верной теории.

Here's what Newton himself said:

Вот что говорил сам Ньютон:

"Nature is very consonant and conformable to her self."

"Природа весьма согласна и подобна в себе самой"

One thing he was thinking of is something that most of us take for granted today,

Среди прочего он имел в виду то, что сейчас большинство воспринимает как само собой разумеющееся,

but in his day it wasn't taken for granted.

но в его время это было совсем не так.

There's the story, which is not absolutely certain to be right, but a lot of people told it.

Рассказывают, не абсолютно надёжные источники, но многие. Четверо.

Four sources told it. That when they had the plague in Cambridge,

Когда в Кембридже была чума,

and he went down to his mother's farm -- because the university was closed --

и он уехал на ферму к матери, потому что университет закрылся,

he saw an apple fall from a tree, or on his head or something.

он увидел, как яблоко упало с дерева, ему на голову, или что-то в этом роде.

And he realized suddenly that the force that drew the apple down to the earth

И он неожиданно понял, что сила, которая притягивает яблоко на землю,

could be the same as the force regulating the motions of the planets and the moon.

может быть той же силой, что управляет движением планет и лун.

That was a big unification for those days, although today we take it for granted.

По тем временам это было огромное обобщение, хотя сегодня оно воспринимается как само собой разумеющееся.

It's the same theory of gravity.

Это одна и та же теория гравитации.

So he said that this principle of nature, consonance:

Вот что он сказал о гармонии как принципе природы:

"This principle of nature being very remote from the conceptions of philosophers,

"Этот принцип природы очень далёк от представлений философов

I forbore to describe it in that book,

я не стану описывать его в этой книге,

lest I should be accounted an extravagant freak ... "

чтобы не прослыть экстравагантным психом..."

That's what we all have to watch out for, (Laughter) especially at this meeting.

Вот чего нам всем надо остерегаться. (Смех). Особенно на этом собрании.

" ... and so prejudice my readers against all those things which were the main design of the book."

"... и не создать у моих читателей предвзятого отношения к основному содержанию книги".

Now, who today would claim that as a mere conceit of the human mind?

Кто сегодня стал бы утверждать, что это — всего лишь человеческое воображение?

That the force that causes the apple to fall to the ground

Что сила, заставляющая яблоко падать на землю —

is the same force that causes the planets and the moon to move around,

это та же сила, которая заставляет планеты и луны вращаться,

and so on? Everybody knows that. It's a property of gravitation.

и так далее? Все это знают. Это свойство силы тяготения.

It's not something in the human mind. The human mind can, of course, appreciate it

Это не просто игры человеческого разума. Человеческий разум может, конечно, оценить её

and enjoy it, use it, but it's not -- it doesn't stem from the human mind.

порадоваться ей, и даже её использовать — но она не происходит из человеческого разума.

It stems from the character of gravity.

Она происходит из свойств гравитации.

And that's true of all the things we're talking about.

И это верно для всех вещей, о которых мы сейчас говорим.

They are properties of the fundamental law.

Они — свойства фундаментального закона.

The fundamental law is such that the different skins of the onion resemble one another,

Фундаментальный закон таков, что разные слои луковицы похожи друг на друга и,

and therefore the math for one skin allows you to express beautifully and simply

как следствие, математика, описывающая один слой, позволяет красиво и просто выразить

the phenomenon of the next skin.

явление следующего слоя.

I say here that Newton did a lot of things that year:

Замечу, что Ньютон в тот год открыл массу вещей:

gravity, the laws of motion, the calculus, white light composed of all the colors of the rainbow.

тяготение, законы движения, математический анализ, разложение белого света на цвета радуги.

And he could have written quite an essay on "What I Did Over My Summer Vacation."

Он мог бы написать неслабое сочинение на тему "Как я провёл лето".

(Laughter)

(Смех).

So we don't have to assume these principles as separate metaphysical postulates.

Поэтому нам не надо считать эти принципы отдельными метафизическими постулатами.

They follow from the fundamental theory.

Они следуют из фундаментальной теории.

They are what we call emergent properties.

Их мы называем эмергентными свойствами.

You don't need -- you don't need something more to get something more.

Для получения чего-то дополнительного не требуются дополнительные исходные материалы.

That's what emergence means.

Вот что такое эмергентность.

Life can emerge from physics and chemistry, plus a lot of accidents.

Жизнь может произойти из физики, химии и длинной череды случайностей.

The human mind can arise from neurobiology and a lot of accidents,

Человеческий разум может возникнуть из нейробиологии и длинной череды случайностей,

the way the chemical bond arises from physics and certain accidents.

также, как химическая связь возникает из физики и некоторых случайностей.

It doesn't diminish the importance of these subjects

Важность темы не уменьшается

to know that they follow from more fundamental things, plus accidents.

от осознания того, что она состоит из более фундаментальной вещи с добавкой случайностей.

That's a general rule, and it's critically important to realize that.

Это общее правило, и его осознание критически важно.

You don't need something more in order to get something more.

Для получения чего-то большего необязательно исходно иметь больше.

People keep asking that when they read my book, "The Quark and the Jaguar,"

Читатели моей книги "Кварк и ягуар" продолжают спрашивать,

and they say, "Isn't there something more beyond what you have there?"

"Нет ли чего-то за пределами того, что вы здесь описываете?"

Presumably, they mean something supernatural.

Я предполагаю, они имеют в виду сверхъестественное.

Anyway, there isn't. (Laughter)

Как-бы то ни было, нет, нету. (Смех).

You don't need something more to explain something more.

Совершенно необязательно объяснять новые вещи новыми сущностями.

Thank you very much. (Applause)

Большое спасибо. (Аплодисменты).