Вся правда: Роздуми космолога про пошук об’єктивної реальності
Додано: Суб січня 07, 2023 12:54 pm
P. J. E. Peebles. The whole truth: A COSMOLOGIST’S REFLECTIONS ON THE SEARCH FOR OBJECTIVE REALITY. Princeton University Press, 2022. 264 pages.
Вся правда: Роздуми космолога про пошук об’єктивної реальності
Ф. Дж. Е. Піблз
Від фізика, лавреата Нобелівської премії, особисті роздуми про пошуки об’єктивної реальності в природознавстві.
Століття тому вдумливі люди порушували питання, як реальність може узгоджуватися з фізичними теоріями, які постійно змінюються, від механічної моделі етеру до електричних і магнетних полів, і від однорідної матерії до електронів і атомів. Сьогодні такі поняття, як темна матерія та темна енергія, ще більше ускладнюють і збагачують пошуки об’єктивної реальності. «Вся правда» — це особисті роздуми одного з найповажніших космологів світу про цей пошук.
Що лежить в основі фізичної науки? Які основоположні ідеї формують і спрямовують цю справу? Чи має значення поняття об’єктивної реальності? Якщо так, то чи наші встановлені фізичні теорії успішно її апроксимують? П. Дж. Е. Піблз береться до цих та інших важливих питань про природу науки, спираючись на життєвий досвід провідного фізика та використовуючи космологію як приклад. Він простежує історію думки про природу фізичної науки від часів Айнштайна та стисло викладає основні робочі припущення. Завдяки ретельному дослідженню загальної теорії відносності, космологічного принципу Айнштайна та теорії розширного Всесвіту, Піблз демонструє докази того, що ми відкриваємо природу реальності в послідовних апроксимаціях через дедалі ретельніше дослідження.
Знакова робота «Вся правда» обов’язкова для прочитання всіма, хто цікавиться науковою практикою.
Відгуки
«Чарівна та приваблива розповідь про історію фізичних наук». --- Ґрейс О'Генлон, «Лайбрері джорнел»
«Об’єктивна реальність цієї книжки полягає в тому, що П. Дж. Е. Піблз — знаменитий космолог і прекрасний автор. Щоб дізнатися, що він бачить як об’єктивну реальність Всесвіту, будь ласка, прочитайте книжку!» — Вірджинія Трімбл, коредактор «Небо для всіх: жінки-астрономи своїми власними словами».
«За останні сто років наше розуміння структури нашого Всесвіту як цілого надзвичайно розвинулося. Ніхто не може краще описати ці глибокі та видатні зміни, ніж Джеймз Піблз, чого він чудово досяг у «Всій правді»». — Роджер Пенроуз, автор книжки «Мода, віра та фантазія в новій фізиці Всесвіту».
«Захватне й авторитетне дослідження розвитку фізичної космології від гіганта цієї галузі. «Вся правда» наводить переконливі аргументи на користь сили наукового методу, щоб привести нас до остаточної природи реальності. Захопливе читво з глибокими філософськими ідеями, які залишаються в пам’яті», — Гіранья Періс, Університетський коледж Лондону та Центр Оскара Кляйна, Стокгольм.
«Піблз ділиться надзвичайно освіжальними та неупередженими роздумами про основні віхи столітніх зусиль спільноти фізиків, спрямованих на те, щоб дізнатися про структуру та еволюцію нашого Всесвіту», — Дейвід Кайзер, автор книжки «Квантова спадщина: донесення з невизначеного світу».
«Піблз дає нам захватну розповідь з перших вуст про те, як ми дійшли до наших теперішніх уявлень про Всесвіт і його функціонування, і чому вони стали такими переконливими. У цій книжці, що спонукає до роздумів, він елегантно розкриває процес розвитку науки та інтрижний спосіб, яким виникають і закріплюються нові ідеї». — Джо Данклі, автор книжки «Наш Всесвіт: Посібник для астронома».
«Ця книжка, яку написав один із провідних космологів нашого часу, представляє потужний аргумент на користь об’єктивної реальності сучасної науки. Елегантно написана дуже особистим стилем, «Вся правда», безперечно, спонукає до роздумів, дискусій і суперечок. Необхідно прочитати всім, хто цікавиться правдою сучасної науки». — Юрґен Рен, автор книжки «Еволюція знань: обмірковування наново науки для антропоцену».
«Поява стандартної космологічної моделі – дивовижний тріумф. Піблз був творчою силою в цьому дослідженні протягом шістдесяти років. Він перераховує ключові етапи цієї справи: помилки, ключові суперечки та їх поступове розв’язання, представляючи їх не лише для свого властивого кола, але й як практичне дослідження того, як працює наукова спільнота. Ніхто інший не міг би написати на цю тему авторитетніше. Його книжка заслуговує на широку читацьку авдиторію», — Мартін Різ, автор книжки «Про майбутнє та наше космічне середовище проживання».
«Видатний фізик Джеймз Піблз доводить, що Сідні Морґенбесер помилявся, коли пожартував, що прагматизм — це коли все дуже добре теоретично, але не працює практично. «Вся правда» — це чудова інсайдерська розповідь про прагматичну ідею, що наші найкращі теорії — це наближення до об’єктивної реальності». — Шеріл Місак, авторка книжки «Френк Ремзі: чистий надмір здібностей».
«Унікальна та захоплива книжка. Піблз розповідає захватні спогади про шість десятиліть на передньому краї космології, але готовий поставити глибокі питання про те, що ми насправді дізналися. Чи існує об’єктивна реальність, яка лежить в основі нашої космологічної моделі та спостережень, що ведуть цю теорію? У книжці розглядається, що про це сказали професійні філософи, але ми також отримуємо особистий погляд науковця, який значною мірою сформував наше теперішнє розуміння Всесвіту». — Джон А. Пікок, лавреат премії Шоу та автор «Космологічної фізики».
«Ця книжка, яку написав один із батьків сучасної космології, разючий внесок у квітучу галузь історії та філософії космології». — Мікела Масімі, Единбурзький університет.
Про автора
П. Джей Е. Піблз — фізик, лавреат Нобелівської премії та автор кількох книг, зокрема «Століття космології: внутрішня історія нашого сучасного розуміння Всесвіту», «Принципи фізичної космології», «Квантова механіка» і «Фізична космологія» (усі – Принстон). Він почесний професор Альберта Айнштайна фізичного факультету Принстонського університету.
Елісон, моєму найкращому другові
ЗМІСТ
1. Передмова
Розділ 1. Про науку і реальність
1.1. Мислення століття тому
1.2. Про соціальні, емпіричні та кругові конструкції
1.3. Філософія науки
1.4. Робочі припущення фізики
Розділ 2. Соціальна природа фізики
2.1. Множинності
2.2. Конструкції
2.3. Соціологія наукового знання
Розділ 3. Загальна теорія відносності
3.1. Відкриття
3.2. Соціальна конструкція
3.3. Перші перевірки
3.3.1. Орбіта Меркурія
3.3.2. Гравітаційний червоний зсув
3.3.3. Гравітаційне відхилення світла
3.4. Емпіричне встановлення
3.5. Научки
Розділ 4. Айнштайнів космологічний принцип
4.1. Айнштайнів однорідний статичний Всесвіт
4.2. Докази однорідності
4.3. Фрактальний Всесвіт
4.4. Научки
Розділ 5. Гарячий Великий вибух
5.1. Гамовова гаряча космологія Великого вибуху
5.2. Космологія стаціонарного стану
5.3. Релікти Великого вибуху: гелій
5.4. Релікти Великого вибуху: проміння
5.4.1. Несподіване збудження міжзоряного ціаногену
5.4.2. Пошук Діке
5.4.3. Несподіване проміння в мікрохвильових приймачах «Бел»
Розділ 6. Теорія лямбда-холодної темної матерії
6.1. Початкові умови
6.2. Кривина просторових перерізів
6.3. Космологічна константа
6.4. Інфляція та збіги
6.5. Баріонна та підсвітова матерія
6.6. Темна матерія
6.7. Теорія холодної темної матерії
6.8. Теорія лямбда-холодної темної матерії
6.9. Плутанина
6.10. Вирізняння
6.10.1. Відношення червоного зсуву до зоревої величини
6.10.2. Патерни в розподілі речовини та проміння
6.10.3. Кількісні тести
Розділ 7. Научки наукового прогресу
7.1 Відкриття теорії ЛХТМ здається неминучим
7.2 Конструкції та наукові війни
7.3 Множинності у відкриті ЛХТМ
7.4. Питання
7.5. Майбутнє
7.6. Про реальність
Література
Індекс
Передмова
Що лежить в осерді того, що ми робимо в природничих науках? Я кажу, що ми шукаємо природу реальності, але що це означає? Ви не знайдете готових відповідей у більшості науковців-практиків; вони радше працюватимуть над проблемами, що виникають у дослідженні під рукою. Але є думки, взяті з філософії, соціології та історії науки, які добре описують те, що я бачу в серцевині того, що ми робимо в науці. Я хочу пояснити, за допомогою ілюстрацій з космології, теорію розширення Всесвіту з гарячого густого стану.
Я почав працювати над космологією пів століття тому, коли ідеї були спекулятивними, а доказів мало, і я бачив, як вона перетворилася на одну з найкращих галузей фізичної науки. Досвід змусив мене задуматися над тим, чим ми з колегами займалися і чого навчилися, окрім того, як розв’язувати більш-менш добре поставлені проблеми, коли вони виникають. Результат представлено в цій книжці.
Я хочу, щоб ця книжка була доступна для тих, хто не знайомий з мовою фізики, але цікавиться тим, що роблять науковці й чому. Колеги в науці можуть здивуватися, побачивши, що я обговорюю аспекти соціології та філософії, а також докази з природничих наук щодо об’єктивної фізичної реальності. Це не знайомі теми для розмов у моєму гурті, але я вважаю, що вони важливі для повнішого уявлення про те, що ми дізнаємося з природничих досліджень. Я не намагаюся оцінити міркування про реальність у філософії та соціології науки, але сподіваюся, що авторитетам у цих галузях буде цікаво побачити, як деякі ідеї, взяті з їхніх дисциплін, резонують із практикою природничих наук.
Науковці по-різному думають про нашу тему. Я на емпіричному боці спектра; мені подобається, коли дебати розв’язуються вимірюваннями. Але, попри мою емпіричну схильність обмежувати увагу станом експериментальних чи спостереженнєвих перевірок фізичних теорій і залишатися на цьому, я був спонуканий думати, що наука, керована цікавістю, створила гарні докази абстрактного поняття: об’єктивної реальності. Поняття, як воно використовується в науці, може бути сфальсифіковане через провал наукового методу. Її ніколи не можна довести, бо точність емпіричних доказів завжди обмежена. Тема цієї книжки полягає в тому, що емпіричні результати природничих наук, представлені на прикладі фізичної космології, створюють переконливий аргумент на користь незалежної від спостерігача реальності. Це найкраще, що ми можемо зробити в науці.
Як ми прийшли до сучасного стану природничих наук і аргументів на користь об’єктивної реальності? Поворотним моментом у моїх міркуваннях про це стало визнання звичайного досвіду фізики: коли з’являється цікава ідея, є доволі високі шанси, що хтось інший уже зауважив її, чи зауважить, незалежно, якщо чутка не поширюється достатньо швидко. Приклад з іншої галузі науки, що навіть я знаю протягом тривалого часу, – незалежне визнання концепції еволюції шляхом природного добору Чарлзом Дарвіном і Алфредом Волесом. Я спостерігав інші приклади у фізичній науці, коли був аспірантом, і донедавна не думав про них. Я не вважаю, що мій досвід особливий у цьому аспекті, і справді, я ніколи не чув зауваження фізика про те, що множинні відкриття – феномен, який може нас чогось навчити. Але мені стало зрозуміло, що той факт, що Дарвін і Волес схилилися до ідеї природного добору, підтверджує те, що ця ідея має сенс. Адже двоє людей, які стояли обома ногами на землі, незалежно один від одного помітили докази. Подібно надзвичайно велика кількість множинних відкриттів у дослідженнях великомасштабної природи та еволюції Всесвіту свідчить про те, що дані пропонували розумну мотивацію для напрямків, у яких вели нас наші думки.
Мій пошук тих, хто визнав ці множинності феноменом, який слід враховувати в оцінюванні природничих наук, привів мене до соціологів. Вони визнають це явище, і я побачив, що мені є що дізнатися про практику фізичної науки з книжок із соціології, а від неї до філософії, книжок, до яких я ніколи раніше не думав звертатися.
Одним із результатів було моє запізніле визнання того, що соціологічна концепція конструкцій, соціальних та емпіричних, пояснює цікаву ситуацію в книжці, якою я дорожу, «Класичній теорії полів» Ландау та Ліфшиця (1951; мій примірник – англійський переклад другого російське видання 1948 р.). Перші дві третини книжки — це ретельний аналіз основ класичної теорії електрики та магнетизму. Це добре перевірена і широко застосовна теорія. Остання третина книжки представляє загальну теорію відносності Айнштайна. Відтоді як аспірантом я приєднався до групи дослідження гравітації Боба Діке в 1958 році, я знав, що ця теорія мала емпіричну підтримку, зовсім не таку, як електромагнетизм. Тож чому загальній теорії відносності приділено майже стільки ж часу, як електромагнетизмові, в «Класичній теорії полів»? Соціологія конструкцій, розглянута в підрозділі 2.2, привела мене до розуміння ситуації. Це одна з тем цієї книжки.
Я все ще відносно неосвічений у соціології та філософії, але тепер бачу, що в цих дисциплінах є досить важливі речі, які можна сказати про практику науки. Ті з нас, хто не соціологи чи філософи, ці научки найкраще оцінять у застосуванні до конкретного досвіду досліджень у фізичній науці. Я думаю про це як про пропрацьований приклад, подібний до проблем, які ми ставимо студентам із заданими кроками до розв’язання. Фізична космологія, дослідження великомасштабної природи Всесвіту навколо нас, – хорошим вибір для пропрацьованого прикладу в галузі фізичної науки. Тема в її сучасній формі почалася з достатньо чіткого набору початкових ідей століття тому; пошук цих ідей охоплював цікаві епізоди плутанини та відкриттів, які привели до задовільного висновку. Тести цієї теорії досить численні та достатньо добре перевірені на надійність, тож більшість науковців-фізиків, що задумувалася над нею, погоджується, – це переконливо встановлений випадок хорошої апроксимації того, що насправді сталося, коли наш Всесвіт розширювався та охолоджувався.
Я маю застерегти, що цій стандартній і прийнятій теорії не можна довіряти в екстраполяції вперед у часі у віддалене майбутнє або назад у часі до як завгодно великої густини. Є цікаві ідеї щодо того, що станеться — ви почуєте розмови про великий стиск, велике замерзання та великий розрив — і ідеї про те, що відбувалося до Великого вибуху, хоч би що це означало. Але такі припущення виходять за рамки цього дослідження научок, які слід взяти з того, як приклад фізичної науки став загальноприйнятим. Для цілей цієї книжки задовольнімося теорією про те, що залишило релікти, які ми змогли ідентифікувати та інтерпретувати.
Усі природничі науки захоплюють тих із нас, хто має до них смак. На користь об’єктивної реальності додається багато іншого завдяки широкому спектрові добре перевірених передбачень квантової фізики. Я рекомендую дискусію в книжці Стівена Вайнберга (1992) «Мрії про остаточну теорію: пошук фундаментальних законів природи». Але те, що ми дізналися з фізики відносності та створення релятивістської теорії еволюцівного всесвіту також служить для ілюстрації аргументу про те, що ми знаходимо операційно корисні апроксимації до абстрактної ідеї об’єктивної реальності. Історія та фізика космології простіші, але я не бачу інших причин віддавати перевагу цьому прикладові перед темами квантової фізики.
Властивості продуктів живої матерії відіграють важливу роль у цій історії як приклади питань, які стосуються вивчення складних фізичних систем. Звичайне припущення полягає в тому, що живі системи – прояви функціонування тієї самої об’єктивної реальності, що, як свідчать дані випробувань простіших систем, корисно апроксимована теорією відносності та квантовою фізикою. Але ми повинні жити з тим фактом, що чітка демонстрація того, що це так, виходить за рамки сучасних методів аналізу.
Не може бути універсального керівництва щодо природи науки, бо умови роботи визначають, що можна зробити, і умови значно відрізняються в різних галузях науки. Але ми можемо взяти корисні научки з пропрацьованого прикладу, тут – фізичної космології. Допомагає те, що це відносно проста галузь природничих наук. Також допомагає, що я добре знаю предмет; я працював над ним і бачив, як він росте понад пів століття.
Історія розвитку фізичної космології, представлена тут у розділах 3–7, має на меті проілюструвати три речі. По-перше, це приклад того, як робиться фізична наука. По-друге, це керівництво до мислення, взяте з того, що соціологи та філософи говорять про те, що ми робимо, що особливо актуально з погляду науковців. Інші ідеї з цих дисциплін, звісно, не здаються такими безпосередніми. По-третє, це показує природу аргументу на користь об’єктивної фізичної реальності, який береться з практики природничих наук.
Я починаю цю розповідь з міркувань про історію думок щодо природи фізичних наук, простежуючи минуле століття до того часу, коли Айнштайн розмірковував про можливу природу задовільної теорії гравітації та логічно побудованого Всесвіту. Більше можна дізнатися з іще ранішої історії науки, але узгодженості сприяє зосередження уваги на пізніших, безпосередніше пов’язаних, подіях. Навіть цей обмежений проміжок історії багатий; можу лише запропонувати зразки, які ілюструють ідеї, що, як я вважаю, вплинули на те, як ми тепер думаємо про фізичні теорії в межах культур науки та суспільства. Я ризикну зробити з цих прикладів і власного досвіду стислий виклад робочих припущень фізики: ідей, які служать фундаментальною основою того, що ми робимо в цьому предметі.
Ці робочі припущення представлені в розділі 1 і перераховані та обговорені в кінці розділу. Вони зосереджені на ідеї, припущенні, що наші кращі теорії – корисні наближення до об’єктивної реальності. Для одних поняття об'єктивної реальності очевидне, для інших сумнівне. Мої приклади на підтримку першої думки взяті з розвитку релятивістської теорії великомасштабної природи Всесвіту. Як я вже казав, є ще багато підтримних прикладів з квантової фізики, але використовуються приклади з теорії відносності.
Соціальна природа фізичної науки – важлива частина культури науковців. Це чіткіше визнають історики, філософи та соціологи, ніж науковці-фізики, що слід виправити. Я пропоную приклад того, як соціологія фізичної науки та наші неявні робочі припущення для досліджень у цій дисципліні вплинули на розроблення та сприйняття Айнштайнової загальної теорії відносності, її остаточне встановлення шляхом вимогливих перевірок та розвиток ідей щодо її застосування до теорії великомасштабної природи Всесвіту. З цією метою дослідження має тенденцію бути найінформативнішим у початкових пропозиціях. Розроблення після того, як певний напрямок досліджень був загалом прийнятий як багатонадійний, більш прямі та менш повчальні, якщо тільки підхід не приносить результатів. Я лише коротко резюмую кінцеві пропозиції щодо ідей, які наразі виявилися успішними.
Потрібні пояснення номенклатури. Іноді я пишу про фізику, фізичні науки, природничі науки чи науку. Під першою я маю на увазі дослідження явищ, досить простих, щоб служити перевіркою фізичних теорій, які мають бути корисними наближеннями до того, що ми вважаємо певним видом об’єктивної та раціонально функціональної реальності. Така фізична наука, як хемія, додає до фізики закономірностей та теорій феноменології, що надто складна для легкого висновування з наближень до об’єктивної реальності, які фізика стверджує, що знайшла. Я припускаю, що явища хемії базуються на тій самій реальності, що й фізика, але перевірити це складно. Природничі науки йдуть від хемії через геологію до ботаніки та біології та далі до природи живих істот і функціонування людського розуму. Це впорядкування за зростанням ступеня складності. Я підкреслюю, це не означає, що це впорядкування за чеснотами чи інтересами в будь-якому напрямку; усі вони гідні та захопливі дослідження навколишнього світу. Як уже казав, я беру космологію як пропрацьований приклад того, як працює природнича наука, тому що вона відносно проста, і про взаємодію теорії та спостереження досить легко судити.
Предмет вивчення в природничих науках часто називають «природою» або «Природою». Я використовую «реальність», щоб могти написати «природа реальності». Кілька винятків, які я роблю з цього правила, здається, вимагаються контекстом. Я часто використовую «об’єктивну реальність», що зайве, але додає наголошення. Ми маємо готові уявлення про Природу, або реальність; це те, що ми бачимо навколо нас, що перед очима. Я вважаю, що стілець, на якому сиджу, справжній, бо видається дурним думати, що я бачу сон. Природнича наука неявно оперує тим самим припущенням, що природа світу не залежить від наших уявлень про неї. Суспільство впливає на наше мислення, але ми припускаємо, що звернення до емпіричних даних виправляє оманливі думки.
Я уникаю слова «віра» через релігійну конотацію, а також слів «доведення», «демонстрація» і «верифікація», бо вони здаються надто самовпевненими для природничих наук. Я використовую слово «факт», бо воно з’являється в цікавих дискусіях, які потрібно переглянути, але маю на увазі, що в цьому предметі факт – наближення, таке ж добре, як підтримні дані. Те ж саме стосується «істини», хоча це слово в цьому тексті трапляється дуже часто, бо воно дуже зручне. Я віддаю перевагу «свідченню» (indication) для розумної інтерпретації спостереження та незграбним, але, на мою думку, точним термінам «переконливо встановлений» і «переконливий випадок» для застосування до теорій, які проходять достатньо перевірок передбачень, щоб переконати спільноту прийняти теорію, завжди при цьому очікуючи на визнання нових доказів, які могли б спонукати до пошуку ще кращої теорії. Звісно, що більше успішних передбачень, то переконливіші аргументи для встановлення. Я використовую фразу «оцінка спільноти» для ідей, які дослідницька спільнота загалом вирішила визнати розумними, і «стандартні та загальноприйняті» – для ідей спільноти, які так міцно зафіксовані в нашій свідомості, що вважаються канонічними. Слово «канонічний» означає постійно встановлюваний випадок, але, звісно, в науці це не обов’язково так.
Зазвичай вважається, що «теорія» детальніше встановлена та перевірена, ніж «модель», яка зазвичай схематичніша та спекулятивніша. Але ідеї в космології зазвичай були проміжними ситуаціями. Я дотримуюся звичайної практики, вважаючи слова «теорія» та «модель» взаємозамінними, якщо контекст не передбачає особливо схематичних ідей, які найкраще охарактеризувати як «моделі». Я використовую термін «фізична космологія» для теорії та спостереження великомасштабної природи Всесвіту, застосовуючи модифікатор «фізичний», бо існує багато інших видів космологій.
Простір наповнений майже рівномірним розподілом мікрохвильового проміння, що переконливо встановлене як залишки, релікти, раннього Всесвіту. Його стандартна назва – космічний мікрохвильовий фон, або КМФ. Мене це непокоїть, тому що довжини хвилі цього проміння були набагато коротшими в минулому, і хоча це проміння – фон для нас на Землі, що приходить до нас з неба, його правильніше називати морем, яке рівномірно заповнює простір. Я називаю його «морем реліктового проміння».
Спектри галактик зсуваються в червоний бік через рухи галактик від нас. Цей рух раніше називали загальним розбіганням галактик. Спостерігач в іншій галактиці побачить таке ж загальне розбігання; в стандартній космології немає особливого положення в просторі. У середньому, крім руху галактик одна відносно одної, спричиненого локальними варіаціями сили тяжіння, відстань між двома галактиками, виміряна стандартними лінійками та годинником, збільшується зі швидкістю, пропорційною відстані між двома галактиками. Це Габлів закон, а константа пропорційності – Габлова константа, Ho. (Тобто швидкість v розбігання галактики на відстані r дорівнює v = Hor.) Міжнародний астрономічний союз визначив, що це відношення буде відоме як закон Габла – Леметра, бо Герман Вайль передчував його, а Жорж Леметр знайшов пряме передбачення, перш ніж Едвін Габл розпізнав астрономічні докази цього зв’язку. Але для стислості використовую стару назву.
Іноді кажуть, що простір розширюється, але це може збентежити. Ми з вами не розширюємося, не беручи до уваги звичайних біологічних ефектів, і галактики не розширюються, за винятком наслідків збільшення маси через акрецію та втрати через вітри. Найкраще залишити, що простір між галактиками збільшується, тобто в середньому галактики розсуваються.
Ньютонівська фізика гравітації – нерелятивістська межа Айнштайнової загальної теорії відносності. Я використовую Айнштайнів термін для його теорії, де це здається доречним, але частіше повертаюся до коротшої версії, загальної відносності.
Відома назва релятивістської теорії розширного Всесвіту — Великий вибух. Саймон Мітон (2005) приписує назву, Великий вибух, Фредові Гойлу. Назва не підходить, бо «вибух» означає подію в певному місці та часі. Добре перевірена космологія описує майже однорідний Всесвіт, без спостережних меж і без конкретного місця або преференційного центру, зовсім не схоже на «вибух». І космологія не займається подіями: вона описує еволюцію Всесвіту до його теперішнього стану від надзвичайно густого, і ми тепер кажемо гарячого, раннього швидкорозширного стану. Але назва «Великий вибух» так закріпилась у свідомості людей, що я використовую її.
Я завершую пояснення в цій педантичній манері різницею між прецизійними (precise) та точними (accurate) вимірюваннями. Це актуально для обговорення перевірок теперішньої стандартної космології, разом з тими, що розглянуті в розділі 6.10. Припустімо, я вимірював довжину об’єкта багато разів і виявив, що середнє значення вимірювань L = 1,11 ± 0,01 см. Невизначеність у кожному вимірюванні зменшується шляхом усереднення за багатьма спробами. У цьому прикладі похибка, яка залишається після усереднення, становить приблизно 0,01 см. Але на вимірювання неминуче впливають систематичні похибки. Можливо, вимірювальний прилад трохи погнувся, коли я його впустив. Можливо, його калібрування трохи не в порядку. Скажімо, моє найкраще судження про вплив усіх систематичних помилок приводить до L = 1,2 ± 0,1 см. Перший результат L = 1,11 ± 0,01 см прецизійніший. Другий, L = 1,2 ± 0,1 см, точніший. Я був збентежений, коли зустрічався з досвідченими теоретиками, які не могли зрозуміти відмінність. Відмінність важлива.
Важливо також бути якомога точнішим щодо того, що люди думали та робили в цій темі. Пропоную багато цитат авторів; краще їхні слова, ніж мої. З часів аспірантури мене вчили поважати дані, і для мене цитати – дані. Деякі цитати можуть вводити в оману, й інші форми даних також можуть вводити в оману, але в середньому дані інформативні й до них слід ставитися з повагою. Через це мені незручно представляти переклади цитат з німецької чи французької мов. Я використовую опубліковані переклади, коли вони доступні, а в інших випадках – мої переклади, які виконуються за допомогою гуглу, щоб допомогти моєму рудиментарному пам’ятанню цих мов. Щось втрачено в перекладі, але я вважаю, що ми мусимо з цим жити.
Я додаю покликання на наукову літературу для тих, хто може захотіти вивчити докази, які підтверджують мої твердження, або, можливо, просто щоб переконатися, що докази є. Покликання на «Збірник праць Альберта Айнштайна» (The Collected Papers of Albert Einstein. Stachel, Klein, Schulman et al. 1987), у виносках вказано томи та номери документів, доступні на https://einsteinpapers.press.princeton.edu.
Книжки Шеріл Місак (2016) («Кембридзький прагматизм: від Пірса та Джеймза до Ремзі та Вітґенштайна» (Cambridge Pragmatism: From Peirce and James to Ramsey and Wittgenstein) і Карла Зіґмунда (2017) «Точне мислення в божевільні часи: Віденський гурток та епічні пошуки основ науки» (Exact Thinking in Demented Times: The Vienna Circle and the Epic Quest for the Foundations of Science) познайомили мене з різновидами міркувань про фізику століття тому. Книжка Бруно Латура та Стіва Вулґара (1979, 1986) «Лабораторне життя» (Laboratory Life) познайомила мене з аргументами соціологів щодо соціальних аспектів досліджень у природничих науках. «Механіка в її розвитку, представлена історично-критично» Ернста Маха 1902 року та пізніші переклади англійською мовою містять чудові інформативні обговорення того, що ми тепер називаємо класичною механікою. Їх усе ще варто прочитати. Критика Маха того, що він назвав «непропорційним формальним розвитком фізики», ставить перед нами захопливу загадку: про що думав Мах? Я дізнавався також від багатьох інших авторитетів, зокрема тих, що перераховані в бібліографії.
Я перебуваю на незнайомому ґрунті, пишучи про філософію науки, завжди небезпечному, і я особливо вдячний Паулеві Гойнінгену-Гюне, Дейвідові Кайзеру, Кристині Кочанскі, Пітерові Кочанскі та Шеріл Місак за їхню перевірку реалістичності моїх думок про це, хоча, звісно, деякі мої помилки тут ще залишилися. Пітер Солсон — фізик і учасник наукової колаборації ЛІГО (LIGO), що виявила гравітаційні хвилі від злиття астрономічних об’єктів. Пітер спостерігав за соціологом Гарі Колінзом, який спостерігав за фізиками в цій колаборації. Я ціную поради Пітера з того досвіду та його думки про соціологію. Соціологія науки — це тонка справа, і я вдячний Енджелі Крігер, Реджині Кенен, Дженет Вертезі та Гарієт Закермен за повчальні обговорення їхнього досвіду. Мішел Янсен, Юрґен Рен і Кліф Віл дали мені авторитетні поради щодо джерел Айнштайнової загальної теорії відносності. Я вдячний Чарлзові Роберту О’Делу за спогади про дослідження в астрономії вмісту гелію в критичний для космології час; Вірджинії Трімбл за спогади про вимірювання гравітаційного червоного зсуву зір білих карликів, які були важливі для ранніх перевірок загальної теорії відносності; і Станісласові Лейблеру – за обговорення цікавої ролі біофізичних молекул у цій історії. Я вдячний Флоріанові Бойтлеру за те, що він зробив для мене важливу нижню панель для рисунка на с. 173. Інґрід Ґнерліх, видавець відділу наук «Прінстон юніверсіті прес», дала мені продуктивну пораду щодо того, як зробити цю книжку презентабельнішою, і вона джерело двох рецензій компетентних читачів. Їхні коментарі покращили книжку і, зокрема, змусили мене побачити потребу в чіткішому поясненні того, що я намагався подати. Елісон Піблз і Леслі Піблз були цінними порадниками щодо передмови, яка пояснює мету цієї книжки. Одне з моїх задоволень, коли я писав її, були міркування про думки цих людей та багатьох інших протягом моєї довгої кар’єри. Багатьма різними способами вони викладали мені ідеї, щоб я їх дотримувався.
Мені пощастило потрапити в Принстонський університет, де я міг викладати фізику зацікавленим студентам і працювати з колегами, що надихали. Найважливішим для мене та для багатьох інших був професор фізики Роберт Генрі Діке, Боб – для всіх, хто його знав. Я прибув до Принстону з Манітобського університету як новий аспірант-фізик у 1958 році, маючи на меті дослідження фізики елементарних частинок. На моє велике щастя, випускник Манітоби, Боб Мур, запросив мене приєднатися до нього на зустрічах дослідницької групи Діке з приводу того, як покращити емпіричну основу фізики гравітації та теорії відносності. Чимало Нобелівських премій, зокрема моя, виросли з групи Боба. Вони – свідчення бачення Боба.
Центральна адміністрація Принстонського університету не висловила занепокоєння з приводу того, що я витрачаю так багато часу та зусиль на дослідження, які навряд чи можна монетизувати. Я вважаю це ілюстрацією цінності, яку суспільство надає керованим цікавістю дослідженням того, що відбувається у світі навколо нас, у великих і малих місцях.
Активний науковець міг би провести кілька вечорів із цією книжкою, прочитати про те, що, на мою думку, становить суть того, що вони робили, і порівняти це зі своїми власними думками, які, я сподіваюся, вони мали сформувати, навіть якщо ніколи не зупинятимуться, щоб подумати над цим. Люди, які цікавляться тим, що відбувається у фізичній науці, але не володіють математичною мовою предмета, можливо, витратили більше часу на роздуми про те, що ми робимо, ніж ті з нас, хто живе в окопах. Я прагнув зробити дискусію доступною та інформативною для цього табору. У тексті дуже мало рівнянь, ще кілька виділено в дужках та виносках, і я використовую виноски, щоб пояснити мінімальний технічний жаргон, якого важко уникнути. Професійні філософи та соціологи науки добре знайомі з научками, які я запозичу з багатства ідей у їхніх темах, але, сподіваюся, що їм буде цікаво побачити, як я застосовую свій вибір до досвіду тих із нас, хто стоїть обома ногами на землі.
Вся правда: Роздуми космолога про пошук об’єктивної реальності
Ф. Дж. Е. Піблз
Від фізика, лавреата Нобелівської премії, особисті роздуми про пошуки об’єктивної реальності в природознавстві.
Століття тому вдумливі люди порушували питання, як реальність може узгоджуватися з фізичними теоріями, які постійно змінюються, від механічної моделі етеру до електричних і магнетних полів, і від однорідної матерії до електронів і атомів. Сьогодні такі поняття, як темна матерія та темна енергія, ще більше ускладнюють і збагачують пошуки об’єктивної реальності. «Вся правда» — це особисті роздуми одного з найповажніших космологів світу про цей пошук.
Що лежить в основі фізичної науки? Які основоположні ідеї формують і спрямовують цю справу? Чи має значення поняття об’єктивної реальності? Якщо так, то чи наші встановлені фізичні теорії успішно її апроксимують? П. Дж. Е. Піблз береться до цих та інших важливих питань про природу науки, спираючись на життєвий досвід провідного фізика та використовуючи космологію як приклад. Він простежує історію думки про природу фізичної науки від часів Айнштайна та стисло викладає основні робочі припущення. Завдяки ретельному дослідженню загальної теорії відносності, космологічного принципу Айнштайна та теорії розширного Всесвіту, Піблз демонструє докази того, що ми відкриваємо природу реальності в послідовних апроксимаціях через дедалі ретельніше дослідження.
Знакова робота «Вся правда» обов’язкова для прочитання всіма, хто цікавиться науковою практикою.
Відгуки
«Чарівна та приваблива розповідь про історію фізичних наук». --- Ґрейс О'Генлон, «Лайбрері джорнел»
«Об’єктивна реальність цієї книжки полягає в тому, що П. Дж. Е. Піблз — знаменитий космолог і прекрасний автор. Щоб дізнатися, що він бачить як об’єктивну реальність Всесвіту, будь ласка, прочитайте книжку!» — Вірджинія Трімбл, коредактор «Небо для всіх: жінки-астрономи своїми власними словами».
«За останні сто років наше розуміння структури нашого Всесвіту як цілого надзвичайно розвинулося. Ніхто не може краще описати ці глибокі та видатні зміни, ніж Джеймз Піблз, чого він чудово досяг у «Всій правді»». — Роджер Пенроуз, автор книжки «Мода, віра та фантазія в новій фізиці Всесвіту».
«Захватне й авторитетне дослідження розвитку фізичної космології від гіганта цієї галузі. «Вся правда» наводить переконливі аргументи на користь сили наукового методу, щоб привести нас до остаточної природи реальності. Захопливе читво з глибокими філософськими ідеями, які залишаються в пам’яті», — Гіранья Періс, Університетський коледж Лондону та Центр Оскара Кляйна, Стокгольм.
«Піблз ділиться надзвичайно освіжальними та неупередженими роздумами про основні віхи столітніх зусиль спільноти фізиків, спрямованих на те, щоб дізнатися про структуру та еволюцію нашого Всесвіту», — Дейвід Кайзер, автор книжки «Квантова спадщина: донесення з невизначеного світу».
«Піблз дає нам захватну розповідь з перших вуст про те, як ми дійшли до наших теперішніх уявлень про Всесвіт і його функціонування, і чому вони стали такими переконливими. У цій книжці, що спонукає до роздумів, він елегантно розкриває процес розвитку науки та інтрижний спосіб, яким виникають і закріплюються нові ідеї». — Джо Данклі, автор книжки «Наш Всесвіт: Посібник для астронома».
«Ця книжка, яку написав один із провідних космологів нашого часу, представляє потужний аргумент на користь об’єктивної реальності сучасної науки. Елегантно написана дуже особистим стилем, «Вся правда», безперечно, спонукає до роздумів, дискусій і суперечок. Необхідно прочитати всім, хто цікавиться правдою сучасної науки». — Юрґен Рен, автор книжки «Еволюція знань: обмірковування наново науки для антропоцену».
«Поява стандартної космологічної моделі – дивовижний тріумф. Піблз був творчою силою в цьому дослідженні протягом шістдесяти років. Він перераховує ключові етапи цієї справи: помилки, ключові суперечки та їх поступове розв’язання, представляючи їх не лише для свого властивого кола, але й як практичне дослідження того, як працює наукова спільнота. Ніхто інший не міг би написати на цю тему авторитетніше. Його книжка заслуговує на широку читацьку авдиторію», — Мартін Різ, автор книжки «Про майбутнє та наше космічне середовище проживання».
«Видатний фізик Джеймз Піблз доводить, що Сідні Морґенбесер помилявся, коли пожартував, що прагматизм — це коли все дуже добре теоретично, але не працює практично. «Вся правда» — це чудова інсайдерська розповідь про прагматичну ідею, що наші найкращі теорії — це наближення до об’єктивної реальності». — Шеріл Місак, авторка книжки «Френк Ремзі: чистий надмір здібностей».
«Унікальна та захоплива книжка. Піблз розповідає захватні спогади про шість десятиліть на передньому краї космології, але готовий поставити глибокі питання про те, що ми насправді дізналися. Чи існує об’єктивна реальність, яка лежить в основі нашої космологічної моделі та спостережень, що ведуть цю теорію? У книжці розглядається, що про це сказали професійні філософи, але ми також отримуємо особистий погляд науковця, який значною мірою сформував наше теперішнє розуміння Всесвіту». — Джон А. Пікок, лавреат премії Шоу та автор «Космологічної фізики».
«Ця книжка, яку написав один із батьків сучасної космології, разючий внесок у квітучу галузь історії та філософії космології». — Мікела Масімі, Единбурзький університет.
Про автора
П. Джей Е. Піблз — фізик, лавреат Нобелівської премії та автор кількох книг, зокрема «Століття космології: внутрішня історія нашого сучасного розуміння Всесвіту», «Принципи фізичної космології», «Квантова механіка» і «Фізична космологія» (усі – Принстон). Він почесний професор Альберта Айнштайна фізичного факультету Принстонського університету.
Елісон, моєму найкращому другові
ЗМІСТ
1. Передмова
Розділ 1. Про науку і реальність
1.1. Мислення століття тому
1.2. Про соціальні, емпіричні та кругові конструкції
1.3. Філософія науки
1.4. Робочі припущення фізики
Розділ 2. Соціальна природа фізики
2.1. Множинності
2.2. Конструкції
2.3. Соціологія наукового знання
Розділ 3. Загальна теорія відносності
3.1. Відкриття
3.2. Соціальна конструкція
3.3. Перші перевірки
3.3.1. Орбіта Меркурія
3.3.2. Гравітаційний червоний зсув
3.3.3. Гравітаційне відхилення світла
3.4. Емпіричне встановлення
3.5. Научки
Розділ 4. Айнштайнів космологічний принцип
4.1. Айнштайнів однорідний статичний Всесвіт
4.2. Докази однорідності
4.3. Фрактальний Всесвіт
4.4. Научки
Розділ 5. Гарячий Великий вибух
5.1. Гамовова гаряча космологія Великого вибуху
5.2. Космологія стаціонарного стану
5.3. Релікти Великого вибуху: гелій
5.4. Релікти Великого вибуху: проміння
5.4.1. Несподіване збудження міжзоряного ціаногену
5.4.2. Пошук Діке
5.4.3. Несподіване проміння в мікрохвильових приймачах «Бел»
Розділ 6. Теорія лямбда-холодної темної матерії
6.1. Початкові умови
6.2. Кривина просторових перерізів
6.3. Космологічна константа
6.4. Інфляція та збіги
6.5. Баріонна та підсвітова матерія
6.6. Темна матерія
6.7. Теорія холодної темної матерії
6.8. Теорія лямбда-холодної темної матерії
6.9. Плутанина
6.10. Вирізняння
6.10.1. Відношення червоного зсуву до зоревої величини
6.10.2. Патерни в розподілі речовини та проміння
6.10.3. Кількісні тести
Розділ 7. Научки наукового прогресу
7.1 Відкриття теорії ЛХТМ здається неминучим
7.2 Конструкції та наукові війни
7.3 Множинності у відкриті ЛХТМ
7.4. Питання
7.5. Майбутнє
7.6. Про реальність
Література
Індекс
Передмова
Що лежить в осерді того, що ми робимо в природничих науках? Я кажу, що ми шукаємо природу реальності, але що це означає? Ви не знайдете готових відповідей у більшості науковців-практиків; вони радше працюватимуть над проблемами, що виникають у дослідженні під рукою. Але є думки, взяті з філософії, соціології та історії науки, які добре описують те, що я бачу в серцевині того, що ми робимо в науці. Я хочу пояснити, за допомогою ілюстрацій з космології, теорію розширення Всесвіту з гарячого густого стану.
Я почав працювати над космологією пів століття тому, коли ідеї були спекулятивними, а доказів мало, і я бачив, як вона перетворилася на одну з найкращих галузей фізичної науки. Досвід змусив мене задуматися над тим, чим ми з колегами займалися і чого навчилися, окрім того, як розв’язувати більш-менш добре поставлені проблеми, коли вони виникають. Результат представлено в цій книжці.
Я хочу, щоб ця книжка була доступна для тих, хто не знайомий з мовою фізики, але цікавиться тим, що роблять науковці й чому. Колеги в науці можуть здивуватися, побачивши, що я обговорюю аспекти соціології та філософії, а також докази з природничих наук щодо об’єктивної фізичної реальності. Це не знайомі теми для розмов у моєму гурті, але я вважаю, що вони важливі для повнішого уявлення про те, що ми дізнаємося з природничих досліджень. Я не намагаюся оцінити міркування про реальність у філософії та соціології науки, але сподіваюся, що авторитетам у цих галузях буде цікаво побачити, як деякі ідеї, взяті з їхніх дисциплін, резонують із практикою природничих наук.
Науковці по-різному думають про нашу тему. Я на емпіричному боці спектра; мені подобається, коли дебати розв’язуються вимірюваннями. Але, попри мою емпіричну схильність обмежувати увагу станом експериментальних чи спостереженнєвих перевірок фізичних теорій і залишатися на цьому, я був спонуканий думати, що наука, керована цікавістю, створила гарні докази абстрактного поняття: об’єктивної реальності. Поняття, як воно використовується в науці, може бути сфальсифіковане через провал наукового методу. Її ніколи не можна довести, бо точність емпіричних доказів завжди обмежена. Тема цієї книжки полягає в тому, що емпіричні результати природничих наук, представлені на прикладі фізичної космології, створюють переконливий аргумент на користь незалежної від спостерігача реальності. Це найкраще, що ми можемо зробити в науці.
Як ми прийшли до сучасного стану природничих наук і аргументів на користь об’єктивної реальності? Поворотним моментом у моїх міркуваннях про це стало визнання звичайного досвіду фізики: коли з’являється цікава ідея, є доволі високі шанси, що хтось інший уже зауважив її, чи зауважить, незалежно, якщо чутка не поширюється достатньо швидко. Приклад з іншої галузі науки, що навіть я знаю протягом тривалого часу, – незалежне визнання концепції еволюції шляхом природного добору Чарлзом Дарвіном і Алфредом Волесом. Я спостерігав інші приклади у фізичній науці, коли був аспірантом, і донедавна не думав про них. Я не вважаю, що мій досвід особливий у цьому аспекті, і справді, я ніколи не чув зауваження фізика про те, що множинні відкриття – феномен, який може нас чогось навчити. Але мені стало зрозуміло, що той факт, що Дарвін і Волес схилилися до ідеї природного добору, підтверджує те, що ця ідея має сенс. Адже двоє людей, які стояли обома ногами на землі, незалежно один від одного помітили докази. Подібно надзвичайно велика кількість множинних відкриттів у дослідженнях великомасштабної природи та еволюції Всесвіту свідчить про те, що дані пропонували розумну мотивацію для напрямків, у яких вели нас наші думки.
Мій пошук тих, хто визнав ці множинності феноменом, який слід враховувати в оцінюванні природничих наук, привів мене до соціологів. Вони визнають це явище, і я побачив, що мені є що дізнатися про практику фізичної науки з книжок із соціології, а від неї до філософії, книжок, до яких я ніколи раніше не думав звертатися.
Одним із результатів було моє запізніле визнання того, що соціологічна концепція конструкцій, соціальних та емпіричних, пояснює цікаву ситуацію в книжці, якою я дорожу, «Класичній теорії полів» Ландау та Ліфшиця (1951; мій примірник – англійський переклад другого російське видання 1948 р.). Перші дві третини книжки — це ретельний аналіз основ класичної теорії електрики та магнетизму. Це добре перевірена і широко застосовна теорія. Остання третина книжки представляє загальну теорію відносності Айнштайна. Відтоді як аспірантом я приєднався до групи дослідження гравітації Боба Діке в 1958 році, я знав, що ця теорія мала емпіричну підтримку, зовсім не таку, як електромагнетизм. Тож чому загальній теорії відносності приділено майже стільки ж часу, як електромагнетизмові, в «Класичній теорії полів»? Соціологія конструкцій, розглянута в підрозділі 2.2, привела мене до розуміння ситуації. Це одна з тем цієї книжки.
Я все ще відносно неосвічений у соціології та філософії, але тепер бачу, що в цих дисциплінах є досить важливі речі, які можна сказати про практику науки. Ті з нас, хто не соціологи чи філософи, ці научки найкраще оцінять у застосуванні до конкретного досвіду досліджень у фізичній науці. Я думаю про це як про пропрацьований приклад, подібний до проблем, які ми ставимо студентам із заданими кроками до розв’язання. Фізична космологія, дослідження великомасштабної природи Всесвіту навколо нас, – хорошим вибір для пропрацьованого прикладу в галузі фізичної науки. Тема в її сучасній формі почалася з достатньо чіткого набору початкових ідей століття тому; пошук цих ідей охоплював цікаві епізоди плутанини та відкриттів, які привели до задовільного висновку. Тести цієї теорії досить численні та достатньо добре перевірені на надійність, тож більшість науковців-фізиків, що задумувалася над нею, погоджується, – це переконливо встановлений випадок хорошої апроксимації того, що насправді сталося, коли наш Всесвіт розширювався та охолоджувався.
Я маю застерегти, що цій стандартній і прийнятій теорії не можна довіряти в екстраполяції вперед у часі у віддалене майбутнє або назад у часі до як завгодно великої густини. Є цікаві ідеї щодо того, що станеться — ви почуєте розмови про великий стиск, велике замерзання та великий розрив — і ідеї про те, що відбувалося до Великого вибуху, хоч би що це означало. Але такі припущення виходять за рамки цього дослідження научок, які слід взяти з того, як приклад фізичної науки став загальноприйнятим. Для цілей цієї книжки задовольнімося теорією про те, що залишило релікти, які ми змогли ідентифікувати та інтерпретувати.
Усі природничі науки захоплюють тих із нас, хто має до них смак. На користь об’єктивної реальності додається багато іншого завдяки широкому спектрові добре перевірених передбачень квантової фізики. Я рекомендую дискусію в книжці Стівена Вайнберга (1992) «Мрії про остаточну теорію: пошук фундаментальних законів природи». Але те, що ми дізналися з фізики відносності та створення релятивістської теорії еволюцівного всесвіту також служить для ілюстрації аргументу про те, що ми знаходимо операційно корисні апроксимації до абстрактної ідеї об’єктивної реальності. Історія та фізика космології простіші, але я не бачу інших причин віддавати перевагу цьому прикладові перед темами квантової фізики.
Властивості продуктів живої матерії відіграють важливу роль у цій історії як приклади питань, які стосуються вивчення складних фізичних систем. Звичайне припущення полягає в тому, що живі системи – прояви функціонування тієї самої об’єктивної реальності, що, як свідчать дані випробувань простіших систем, корисно апроксимована теорією відносності та квантовою фізикою. Але ми повинні жити з тим фактом, що чітка демонстрація того, що це так, виходить за рамки сучасних методів аналізу.
Не може бути універсального керівництва щодо природи науки, бо умови роботи визначають, що можна зробити, і умови значно відрізняються в різних галузях науки. Але ми можемо взяти корисні научки з пропрацьованого прикладу, тут – фізичної космології. Допомагає те, що це відносно проста галузь природничих наук. Також допомагає, що я добре знаю предмет; я працював над ним і бачив, як він росте понад пів століття.
Історія розвитку фізичної космології, представлена тут у розділах 3–7, має на меті проілюструвати три речі. По-перше, це приклад того, як робиться фізична наука. По-друге, це керівництво до мислення, взяте з того, що соціологи та філософи говорять про те, що ми робимо, що особливо актуально з погляду науковців. Інші ідеї з цих дисциплін, звісно, не здаються такими безпосередніми. По-третє, це показує природу аргументу на користь об’єктивної фізичної реальності, який береться з практики природничих наук.
Я починаю цю розповідь з міркувань про історію думок щодо природи фізичних наук, простежуючи минуле століття до того часу, коли Айнштайн розмірковував про можливу природу задовільної теорії гравітації та логічно побудованого Всесвіту. Більше можна дізнатися з іще ранішої історії науки, але узгодженості сприяє зосередження уваги на пізніших, безпосередніше пов’язаних, подіях. Навіть цей обмежений проміжок історії багатий; можу лише запропонувати зразки, які ілюструють ідеї, що, як я вважаю, вплинули на те, як ми тепер думаємо про фізичні теорії в межах культур науки та суспільства. Я ризикну зробити з цих прикладів і власного досвіду стислий виклад робочих припущень фізики: ідей, які служать фундаментальною основою того, що ми робимо в цьому предметі.
Ці робочі припущення представлені в розділі 1 і перераховані та обговорені в кінці розділу. Вони зосереджені на ідеї, припущенні, що наші кращі теорії – корисні наближення до об’єктивної реальності. Для одних поняття об'єктивної реальності очевидне, для інших сумнівне. Мої приклади на підтримку першої думки взяті з розвитку релятивістської теорії великомасштабної природи Всесвіту. Як я вже казав, є ще багато підтримних прикладів з квантової фізики, але використовуються приклади з теорії відносності.
Соціальна природа фізичної науки – важлива частина культури науковців. Це чіткіше визнають історики, філософи та соціологи, ніж науковці-фізики, що слід виправити. Я пропоную приклад того, як соціологія фізичної науки та наші неявні робочі припущення для досліджень у цій дисципліні вплинули на розроблення та сприйняття Айнштайнової загальної теорії відносності, її остаточне встановлення шляхом вимогливих перевірок та розвиток ідей щодо її застосування до теорії великомасштабної природи Всесвіту. З цією метою дослідження має тенденцію бути найінформативнішим у початкових пропозиціях. Розроблення після того, як певний напрямок досліджень був загалом прийнятий як багатонадійний, більш прямі та менш повчальні, якщо тільки підхід не приносить результатів. Я лише коротко резюмую кінцеві пропозиції щодо ідей, які наразі виявилися успішними.
Потрібні пояснення номенклатури. Іноді я пишу про фізику, фізичні науки, природничі науки чи науку. Під першою я маю на увазі дослідження явищ, досить простих, щоб служити перевіркою фізичних теорій, які мають бути корисними наближеннями до того, що ми вважаємо певним видом об’єктивної та раціонально функціональної реальності. Така фізична наука, як хемія, додає до фізики закономірностей та теорій феноменології, що надто складна для легкого висновування з наближень до об’єктивної реальності, які фізика стверджує, що знайшла. Я припускаю, що явища хемії базуються на тій самій реальності, що й фізика, але перевірити це складно. Природничі науки йдуть від хемії через геологію до ботаніки та біології та далі до природи живих істот і функціонування людського розуму. Це впорядкування за зростанням ступеня складності. Я підкреслюю, це не означає, що це впорядкування за чеснотами чи інтересами в будь-якому напрямку; усі вони гідні та захопливі дослідження навколишнього світу. Як уже казав, я беру космологію як пропрацьований приклад того, як працює природнича наука, тому що вона відносно проста, і про взаємодію теорії та спостереження досить легко судити.
Предмет вивчення в природничих науках часто називають «природою» або «Природою». Я використовую «реальність», щоб могти написати «природа реальності». Кілька винятків, які я роблю з цього правила, здається, вимагаються контекстом. Я часто використовую «об’єктивну реальність», що зайве, але додає наголошення. Ми маємо готові уявлення про Природу, або реальність; це те, що ми бачимо навколо нас, що перед очима. Я вважаю, що стілець, на якому сиджу, справжній, бо видається дурним думати, що я бачу сон. Природнича наука неявно оперує тим самим припущенням, що природа світу не залежить від наших уявлень про неї. Суспільство впливає на наше мислення, але ми припускаємо, що звернення до емпіричних даних виправляє оманливі думки.
Я уникаю слова «віра» через релігійну конотацію, а також слів «доведення», «демонстрація» і «верифікація», бо вони здаються надто самовпевненими для природничих наук. Я використовую слово «факт», бо воно з’являється в цікавих дискусіях, які потрібно переглянути, але маю на увазі, що в цьому предметі факт – наближення, таке ж добре, як підтримні дані. Те ж саме стосується «істини», хоча це слово в цьому тексті трапляється дуже часто, бо воно дуже зручне. Я віддаю перевагу «свідченню» (indication) для розумної інтерпретації спостереження та незграбним, але, на мою думку, точним термінам «переконливо встановлений» і «переконливий випадок» для застосування до теорій, які проходять достатньо перевірок передбачень, щоб переконати спільноту прийняти теорію, завжди при цьому очікуючи на визнання нових доказів, які могли б спонукати до пошуку ще кращої теорії. Звісно, що більше успішних передбачень, то переконливіші аргументи для встановлення. Я використовую фразу «оцінка спільноти» для ідей, які дослідницька спільнота загалом вирішила визнати розумними, і «стандартні та загальноприйняті» – для ідей спільноти, які так міцно зафіксовані в нашій свідомості, що вважаються канонічними. Слово «канонічний» означає постійно встановлюваний випадок, але, звісно, в науці це не обов’язково так.
Зазвичай вважається, що «теорія» детальніше встановлена та перевірена, ніж «модель», яка зазвичай схематичніша та спекулятивніша. Але ідеї в космології зазвичай були проміжними ситуаціями. Я дотримуюся звичайної практики, вважаючи слова «теорія» та «модель» взаємозамінними, якщо контекст не передбачає особливо схематичних ідей, які найкраще охарактеризувати як «моделі». Я використовую термін «фізична космологія» для теорії та спостереження великомасштабної природи Всесвіту, застосовуючи модифікатор «фізичний», бо існує багато інших видів космологій.
Простір наповнений майже рівномірним розподілом мікрохвильового проміння, що переконливо встановлене як залишки, релікти, раннього Всесвіту. Його стандартна назва – космічний мікрохвильовий фон, або КМФ. Мене це непокоїть, тому що довжини хвилі цього проміння були набагато коротшими в минулому, і хоча це проміння – фон для нас на Землі, що приходить до нас з неба, його правильніше називати морем, яке рівномірно заповнює простір. Я називаю його «морем реліктового проміння».
Спектри галактик зсуваються в червоний бік через рухи галактик від нас. Цей рух раніше називали загальним розбіганням галактик. Спостерігач в іншій галактиці побачить таке ж загальне розбігання; в стандартній космології немає особливого положення в просторі. У середньому, крім руху галактик одна відносно одної, спричиненого локальними варіаціями сили тяжіння, відстань між двома галактиками, виміряна стандартними лінійками та годинником, збільшується зі швидкістю, пропорційною відстані між двома галактиками. Це Габлів закон, а константа пропорційності – Габлова константа, Ho. (Тобто швидкість v розбігання галактики на відстані r дорівнює v = Hor.) Міжнародний астрономічний союз визначив, що це відношення буде відоме як закон Габла – Леметра, бо Герман Вайль передчував його, а Жорж Леметр знайшов пряме передбачення, перш ніж Едвін Габл розпізнав астрономічні докази цього зв’язку. Але для стислості використовую стару назву.
Іноді кажуть, що простір розширюється, але це може збентежити. Ми з вами не розширюємося, не беручи до уваги звичайних біологічних ефектів, і галактики не розширюються, за винятком наслідків збільшення маси через акрецію та втрати через вітри. Найкраще залишити, що простір між галактиками збільшується, тобто в середньому галактики розсуваються.
Ньютонівська фізика гравітації – нерелятивістська межа Айнштайнової загальної теорії відносності. Я використовую Айнштайнів термін для його теорії, де це здається доречним, але частіше повертаюся до коротшої версії, загальної відносності.
Відома назва релятивістської теорії розширного Всесвіту — Великий вибух. Саймон Мітон (2005) приписує назву, Великий вибух, Фредові Гойлу. Назва не підходить, бо «вибух» означає подію в певному місці та часі. Добре перевірена космологія описує майже однорідний Всесвіт, без спостережних меж і без конкретного місця або преференційного центру, зовсім не схоже на «вибух». І космологія не займається подіями: вона описує еволюцію Всесвіту до його теперішнього стану від надзвичайно густого, і ми тепер кажемо гарячого, раннього швидкорозширного стану. Але назва «Великий вибух» так закріпилась у свідомості людей, що я використовую її.
Я завершую пояснення в цій педантичній манері різницею між прецизійними (precise) та точними (accurate) вимірюваннями. Це актуально для обговорення перевірок теперішньої стандартної космології, разом з тими, що розглянуті в розділі 6.10. Припустімо, я вимірював довжину об’єкта багато разів і виявив, що середнє значення вимірювань L = 1,11 ± 0,01 см. Невизначеність у кожному вимірюванні зменшується шляхом усереднення за багатьма спробами. У цьому прикладі похибка, яка залишається після усереднення, становить приблизно 0,01 см. Але на вимірювання неминуче впливають систематичні похибки. Можливо, вимірювальний прилад трохи погнувся, коли я його впустив. Можливо, його калібрування трохи не в порядку. Скажімо, моє найкраще судження про вплив усіх систематичних помилок приводить до L = 1,2 ± 0,1 см. Перший результат L = 1,11 ± 0,01 см прецизійніший. Другий, L = 1,2 ± 0,1 см, точніший. Я був збентежений, коли зустрічався з досвідченими теоретиками, які не могли зрозуміти відмінність. Відмінність важлива.
Важливо також бути якомога точнішим щодо того, що люди думали та робили в цій темі. Пропоную багато цитат авторів; краще їхні слова, ніж мої. З часів аспірантури мене вчили поважати дані, і для мене цитати – дані. Деякі цитати можуть вводити в оману, й інші форми даних також можуть вводити в оману, але в середньому дані інформативні й до них слід ставитися з повагою. Через це мені незручно представляти переклади цитат з німецької чи французької мов. Я використовую опубліковані переклади, коли вони доступні, а в інших випадках – мої переклади, які виконуються за допомогою гуглу, щоб допомогти моєму рудиментарному пам’ятанню цих мов. Щось втрачено в перекладі, але я вважаю, що ми мусимо з цим жити.
Я додаю покликання на наукову літературу для тих, хто може захотіти вивчити докази, які підтверджують мої твердження, або, можливо, просто щоб переконатися, що докази є. Покликання на «Збірник праць Альберта Айнштайна» (The Collected Papers of Albert Einstein. Stachel, Klein, Schulman et al. 1987), у виносках вказано томи та номери документів, доступні на https://einsteinpapers.press.princeton.edu.
Книжки Шеріл Місак (2016) («Кембридзький прагматизм: від Пірса та Джеймза до Ремзі та Вітґенштайна» (Cambridge Pragmatism: From Peirce and James to Ramsey and Wittgenstein) і Карла Зіґмунда (2017) «Точне мислення в божевільні часи: Віденський гурток та епічні пошуки основ науки» (Exact Thinking in Demented Times: The Vienna Circle and the Epic Quest for the Foundations of Science) познайомили мене з різновидами міркувань про фізику століття тому. Книжка Бруно Латура та Стіва Вулґара (1979, 1986) «Лабораторне життя» (Laboratory Life) познайомила мене з аргументами соціологів щодо соціальних аспектів досліджень у природничих науках. «Механіка в її розвитку, представлена історично-критично» Ернста Маха 1902 року та пізніші переклади англійською мовою містять чудові інформативні обговорення того, що ми тепер називаємо класичною механікою. Їх усе ще варто прочитати. Критика Маха того, що він назвав «непропорційним формальним розвитком фізики», ставить перед нами захопливу загадку: про що думав Мах? Я дізнавався також від багатьох інших авторитетів, зокрема тих, що перераховані в бібліографії.
Я перебуваю на незнайомому ґрунті, пишучи про філософію науки, завжди небезпечному, і я особливо вдячний Паулеві Гойнінгену-Гюне, Дейвідові Кайзеру, Кристині Кочанскі, Пітерові Кочанскі та Шеріл Місак за їхню перевірку реалістичності моїх думок про це, хоча, звісно, деякі мої помилки тут ще залишилися. Пітер Солсон — фізик і учасник наукової колаборації ЛІГО (LIGO), що виявила гравітаційні хвилі від злиття астрономічних об’єктів. Пітер спостерігав за соціологом Гарі Колінзом, який спостерігав за фізиками в цій колаборації. Я ціную поради Пітера з того досвіду та його думки про соціологію. Соціологія науки — це тонка справа, і я вдячний Енджелі Крігер, Реджині Кенен, Дженет Вертезі та Гарієт Закермен за повчальні обговорення їхнього досвіду. Мішел Янсен, Юрґен Рен і Кліф Віл дали мені авторитетні поради щодо джерел Айнштайнової загальної теорії відносності. Я вдячний Чарлзові Роберту О’Делу за спогади про дослідження в астрономії вмісту гелію в критичний для космології час; Вірджинії Трімбл за спогади про вимірювання гравітаційного червоного зсуву зір білих карликів, які були важливі для ранніх перевірок загальної теорії відносності; і Станісласові Лейблеру – за обговорення цікавої ролі біофізичних молекул у цій історії. Я вдячний Флоріанові Бойтлеру за те, що він зробив для мене важливу нижню панель для рисунка на с. 173. Інґрід Ґнерліх, видавець відділу наук «Прінстон юніверсіті прес», дала мені продуктивну пораду щодо того, як зробити цю книжку презентабельнішою, і вона джерело двох рецензій компетентних читачів. Їхні коментарі покращили книжку і, зокрема, змусили мене побачити потребу в чіткішому поясненні того, що я намагався подати. Елісон Піблз і Леслі Піблз були цінними порадниками щодо передмови, яка пояснює мету цієї книжки. Одне з моїх задоволень, коли я писав її, були міркування про думки цих людей та багатьох інших протягом моєї довгої кар’єри. Багатьма різними способами вони викладали мені ідеї, щоб я їх дотримувався.
Мені пощастило потрапити в Принстонський університет, де я міг викладати фізику зацікавленим студентам і працювати з колегами, що надихали. Найважливішим для мене та для багатьох інших був професор фізики Роберт Генрі Діке, Боб – для всіх, хто його знав. Я прибув до Принстону з Манітобського університету як новий аспірант-фізик у 1958 році, маючи на меті дослідження фізики елементарних частинок. На моє велике щастя, випускник Манітоби, Боб Мур, запросив мене приєднатися до нього на зустрічах дослідницької групи Діке з приводу того, як покращити емпіричну основу фізики гравітації та теорії відносності. Чимало Нобелівських премій, зокрема моя, виросли з групи Боба. Вони – свідчення бачення Боба.
Центральна адміністрація Принстонського університету не висловила занепокоєння з приводу того, що я витрачаю так багато часу та зусиль на дослідження, які навряд чи можна монетизувати. Я вважаю це ілюстрацією цінності, яку суспільство надає керованим цікавістю дослідженням того, що відбувається у світі навколо нас, у великих і малих місцях.
Активний науковець міг би провести кілька вечорів із цією книжкою, прочитати про те, що, на мою думку, становить суть того, що вони робили, і порівняти це зі своїми власними думками, які, я сподіваюся, вони мали сформувати, навіть якщо ніколи не зупинятимуться, щоб подумати над цим. Люди, які цікавляться тим, що відбувається у фізичній науці, але не володіють математичною мовою предмета, можливо, витратили більше часу на роздуми про те, що ми робимо, ніж ті з нас, хто живе в окопах. Я прагнув зробити дискусію доступною та інформативною для цього табору. У тексті дуже мало рівнянь, ще кілька виділено в дужках та виносках, і я використовую виноски, щоб пояснити мінімальний технічний жаргон, якого важко уникнути. Професійні філософи та соціологи науки добре знайомі з научками, які я запозичу з багатства ідей у їхніх темах, але, сподіваюся, що їм буде цікаво побачити, як я застосовую свій вибір до досвіду тих із нас, хто стоїть обома ногами на землі.