Другой пример того, над чем мы продолжаем работать, – Стандартная модель элементарных частиц. Мы объединяем две различные математические теории под названием «теория электрослабого взаимодействия» и «теория квантовой хромодинамики», которые при совместном использовании описывают свойства известных элементарных частиц и сил, возникающих между ними. Некоторые физики считают, что Стандартная модель не более чем паллиатив, который можно использовать, пока не будет разработана более точная и всеобъемлющая теория. Однако примечательно, что в своем нынешнем виде теория Стандартной модели может объяснить нам все, что нам нужно знать о природе материи: как и почему электроны определенным образом выстраиваются вокруг атомного ядра, как атомы взаимодействуют, формируя молекулы, как эти молекулы объединяются, образуя материю вокруг нас, как материя взаимодействует со светом – и, таким образом, объяснить почти все окружающие нас явления. Лишь один из ее разделов, квантовая электродинамика, лежит в самой основе науки химии!

Однако Стандартная модель не является исчерпывающей в том, что касается природы материи, поскольку она не описывает силы притяжения, а также не объясняет темной материи и темной энергии, которые на пару образуют большую часть того, из чего состоит Вселенная. Ответы на одни вопросы естественным образом порождают новые вопросы, а физики продолжают свои исследования «за пределами Стандартной модели» в попытке разобраться с этими важнейшими «неизвестными».

Успехи в физике более, чем в любой другой науке, обусловлены взаимодействием теории и эксперимента. Теории проходят испытание временем только в том случае, если они подтверждаются результатами опытов. Теория хороша только тогда, когда она позволяет прогнозировать результаты, которые можно подтвердить в лаборатории. Но если экспериментальные результаты противоречат теории, то последнюю придется изменить или даже вообще от нее отказаться. И наоборот, лабораторный опыт может указать на те явления, которые еще не получили объяснения и требуют дальнейшего развития теории. Ни в какой другой науке мы не увидим такого удивительного взаимодействия. Теоремы чистой математики доказываются с помощью логики, дедукции и аксиом. Они не требуют подтверждения фактами из окружающей действительности. Напротив, геология, этология и психология поведения в основном опираются на наблюдения, и наше продвижение в этих дисциплинах зависит от кропотливого сбора данных или тщательно разработанных лабораторных тестов. Однако физика может прогрессировать только в том случае, если теория и эксперимент идут рука об руку, поочередно подтягивая друг друга и указывая на следующий выступ на склоне.

Луч света, направленный на неизведанное, – еще одна хорошая метафора, отражающая то, как физики разрабатывают свои теории и модели, как они придумывают эксперимент для проверки какого-либо механизма. Если говорить о поиске новых идей в физике, то всех исследователей можно, грубо говоря, разделить на два типа. Представьте себе, что вы идете домой темной, безлунной ночью, и вдруг вы понимаете, что в вашем кармане дыра и в какой-то момент из нее выпали ключи. Вы знаете, что они должны лежать где-то на том участке дороги, который вы только что прошли, поэтому идете обратно по своим следам. Но разве при этом вы осматриваете только освещенные фонарями участки? А может, вы осмотрите и неосвещенные участки, которые оказались между фонарями? Ваши ключи, скорее всего, упали именно там, но найти их будет труднее.

Так вот, есть физики, работающие «на свету», и физики, работающие «в темноте». Первые предпочитают не рисковать и разрабатывают теории, которые можно проверить экспериментально, – они ищут там, где «светло». Это значит, что они, как правило, не выдвигают оригинальных идей, но все-таки могут добиться определенных успехов в открытии истины. Напротив, физики, работающие «в темноте», выдвигают новые умозрительные идеи, которые не очень легко проверить. У них меньше шансов на успех, но если их идеи верны, если их открытия могут привести к революционным сдвигам в нашем понимании мира, то они окажутся в большем выигрыше. И такое различие в подходах гораздо более явственно в физике, чем в других науках.

Я понимаю тех, кого раздражают физики-мечтатели, исследующие эзотерические области вроде космологии или теории струн, ведь это те, кто предпочитает то тут, то там добавить пару параметров только для того, чтобы их уравнения выглядели эстетичнее, кто выдвигает гипотезу о бесконечности параллельных вселенных, чтобы уменьшить количество непонятного в нашей. Однако известны и некоторые примеры, когда такие исследователи натыкались на «золотую жилу».

Гений XX века Поль Дирак как раз и руководствовался в своих исследованиях красотой уравнений, что привело его к постулату о существовании антиматерии за несколько лет до того, как она была открыта в 1932 году. А ведь есть еще Марри Гелл-Ман и Джордж Цвейг, которые в середине 1960-х годов независимо друг от друга предсказали существование кварков, причем еще не существовало никаких экспериментальных данных о возможности существования таких частиц. Питеру Хиггсу пришлось ждать целых полвека, прежде чем открыли его бозон и была подтверждена теория, которая теперь носит его имя. Даже пионер квантовой теории Эрвин Шредингер предложил свое уравнение на основании одной лишь догадки. Он выбрал правильную форму математического уравнения, хотя и не знал, что означает его решение.

Какими уникальными талантами обладали эти физики? Интуицией? «Шестым чувством», которое позволяло им «вынюхивать» секреты природы? Возможно. Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг считает, что именно эстетическая красота математики руководила такими теоретиками, как Поль Дирак и великий шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл.

Однако правда в том, что ни один из этих физиков не работал в одиночку, а их идеи все-таки коррелировали со всеми уже установленными фактами и экспериментальными наблюдениями.

Для меня истинная красота физики заключается не только в абстрактных уравнениях или поразительных результатах экспериментов, но и в фундаментальных принципах, которые лежат в основе существования мира. В них не меньше красоты, чем в потрясающем закате или великом произведении искусства – в картине Леонардо да Винчи или сонате Моцарта. Это красота, которая заключена не в удивительной глубине законов природы, а в обманчивой простоте объяснения того, как они работают (если нам это известно)[4].

И прекрасный пример тому – поиск основных структурных элементов материи, которым человечество занимается давно и долго. Оглянитесь вокруг. Подумайте об огромном разнообразии материалов вокруг нас: бетон, стекло, металл, пластик, дерево, ткани, пищевые продукты, химические вещества… а еще то, из чего состоят растения, кошки, люди… Миллионы различных веществ, причем каждое обладает своими отличительными свойствами, включая сжимаемость, твердость, текучесть, блеск, гибкость, теплоту, холодность… Если бы мы ничего не знали о физике или химии, то можно было бы представить, что большинство материалов имеют мало общего друг с другом; однако мы знаем, что все вокруг состоит из атомов и число видов этих атомов ограничено.

Однако это не все. О структуре материи размышляли еще в V веке до нашей эры в Древней Греции. Эмпедокл впервые предположил, что материя состоит из четырех основных «элементов» (теория «четырехкратных корней всего»): земли, воды, воздуха и огня. В противоположность этой простой идее и примерно в то же время два философа, Левкипп и Демокрит, высказали предположение, что материя состоит из невидимых глазу «атомов». Однако эти две идеи противоречили друг другу. Демокрит считал, что материя в конечном счете состоит из основных структурных элементов; он думал, что таких атомов может быть бесчисленное множество. Между тем Эмпедокл, который предполагал, что все вокруг состоит из четырех элементов, утверждал, что эти элементы непрерывно перетекают друг в друга и могут бесконечно делиться на более мелкие сущности. И Платон, и Аристотель поддерживали последнюю теорию и отвергали атомизм Демокрита, считая, что упрощенный механистический материализм не объясняет всего разнообразия красоты и форм окружающего мира.