Надо ли серьезному ученому гордиться тем, что он никогда не делал ошибочных работ? Ошибочных не в смысле тривиальных ошибок, неправильных вычислений или невымытой химической посуды - таких ошибок надо стыдиться, как неблаговидных поступков. Я имею в виду правдоподобные, но необоснованные предположения, неправильность которых выясняется только при дальнейшем развитии науки. С одной стороны, отсутствие ошибочных работ говорит о высокой научной добросовестности и интуиции ученого, а с другой - оно может означать и недостаток размаха и мужества. Не может быть хорошим горнолыжником или мотоциклистом человек, который никогда не падал, значит, он не доходил до предела своих возможностей. Между тем именно «недостоверные» работы, когда они подтверждаются дальнейшим развитием науки, становятся самыми интересными, так как позволяют проверить предположения, положенные в их основу.
И наоборот, абсолютно достоверные работы, которые неизбежно следуют из полученных ранее результатов, часто не дают существенного толчка науке. Сюда же относится вопрос о сравнении теории с экспериментом, который вызывает много споров между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами. Совпадение теории с опытом не единственный и даже не главный аргумент в оценке теории. Хорошая теоретическая работа представляет собой убедительный вывод из предыдущих достижений науки, которые получены в результате громадного числа многократно проверенных экспериментов. Несовпадение хорошей теоретической работы с опытом означает, что следует пересмотреть предположения, положенные в ее основу, и что произошло какое-то малое или большое открытие. Тогда как совпадение с опытом неправильной теории не делает ее более убедительной. О качестве теории нужно судить по тому, насколько убедительно и непротиворечиво она построена.
Убедительно построенные «недостоверные» теории влияют на развитие науки, даже когда предположения, положенные в их основу, оказываются неверными. Мне хочется рассказать о замечательной работе покойного академика И. Е. Тамма, которая сильно повлияла на физику элементарных частиц. В то время - в 1934 году - только что появилась теория beta-распада, предложенная Энрико Ферми. В ней был указан механизм превращения нейтрона в протон с испусканием электрона и нейтрино. Основываясь на этом механизме, Тамм построил теорию ядерных сил, то есть сил, удерживающих нуклоны - нейтроны и протоны - в ядре. Основная его идея состояла в том, что один из нуклонов испускает электрон и нейтрино, а другой нуклон поглощает эти частицы. Дальнейшее развитие науки показало, что обмен электронами и нейтрино почти не влияет на ядерные силы. Ядерные силы обусловлены тем, что нуклоны, как и в теории Тамма, испускают и поглощают частицы, но другие, открытые позже. Одна из таких частиц - пи-мезон. Таким образом, исходное предположение теории не подтвердилось. Тем не менее идея о том, что ядерные силы связаны с испусканием и поглощением частиц нуклонами, оказалась не только правильной, но и чрезвычайно плодотворной. Она получила развитие в работе Хидэки Юкавы в 1935 году, где он объяснял ядерные силы обменом частицей, сильно взаимодействующей с нуклонами. Тем самым он предсказал существование пионов за 14 лет до их открытия.
Каждый научный работник должен время от времени задавать себе вопрос: почему такой-то сделал в науке больше, чем я, хотя мой уровень понимания и математической техники не ниже? Ответ чаще всего один: он решается доводить до конца «недостоверные» работы, а я направляю свои усилия на работы «достоверные».
Мы говорили об изменении стиля работы по мере роста опыта и квалификации. Но гораздо большие изменения в стиле определяются ходом самой науки.
В спокойные периоды развития науки уместно делать методические работы, уточняя результаты и подготавливая аппарат для дальнейших исследований и, может быть, для дальнейших открытий. Однако, когда возникло важное открытие и начался бурный период, главное - не уточнять методику, а получать новые результаты пусть более грубым, менее обоснованным способом.
Во второй половине XX века стиль работы физиков-теоретиков сильно изменился, хотя, может быть, не все физики сделали из этого необходимые выводы.
В теоретической физике возникает новый вид организации науки, который можно было бы назвать «коллективный мозг». Допустим, после анализа накопившихся экспериментов или какого-либо экспериментального открытия возникает важная и сложная задача, которая не под силу одному человеку. Чтобы решать такие задачи, выработана тактика коллективной работы.
Часть научных работников, которым это ближе по складу характера, начинает заниматься генерацией идей - любых идей, верных и неверных, по методу «грез наяву». На основе этих идей делается попытка частичного объяснения изучаемого явления. Эти не доведенные до конца работы публикуются в виде препринтов (предварительных публикаций) через десять-двадцать дней. Далее, раз в два-три месяца проводятся узкие конференции, где обсуждается накопившаяся информация. При этом критически настроенная часть физиков обращает внимание на слабые места. Дискуссия помогает отобрать разумное. Между конференциями более квалифицированная часть физиков делает выводы и указывает направление дальнейших теоретических и экспериментальных исследований. Приблизительно раз в год на широкой конференции подводятся итоги работы. Исходные идеи подобны мутациям, которые либо закрепляются, либо приводят к гибели теории. Конференции же осуществляют механизм «естественного отбора». Такое стихийное разделение труда приводит к тому, что идея, выдвинутая вчерашним студентом, оказывается в центре внимания целой конференции. Он же (студент) при решении следующей задачи может оказаться уже не в числе генерирующих, а в числе физиков, осуществляющих критический отбор.
Этим методом были исследованы и продолжают исследоваться некоторые важнейшие проблемы теории элементарных частиц. Перечислим без объяснения: SU(3) - симметрия, кварки, монополи…
Не снижает ли стиль XX века поэзию исследования? Нет, роль отдельного исследователя уменьшается, но возникает новая романтика - романтика коллективной работы.
Роль вычислительных машин
Еще одно существенное изменение в стиле теоретической физики вызвано появлением вычислительных машин.
В давние времена задача считалась решенной, если решение удавалось изобразить в виде комбинации известных - «элементарных» - функций. Это случается чрезвычайно редко, и такие случаи быстро исчерпались. Позже стало считаться достаточным выразить решение через функции, определенные специально для данного круга задач - «специальные функции». Однако потребности науки и этим не удовлетворялись. Возникали приближенные методы. При этом решение изображается в виде суммы бесконечного ряда, каждый из членов которого содержит известные функции. Чтобы этими рядами можно было пользоваться, нужно, чтобы уже первые несколько членов давали результат с хорошей точностью. Математики говорят: «Нужно, чтобы ряд хорошо сходился». Чтобы члены ряда быстро убывали, они должны содержать возрастающие степени какого-либо малого параметра. (Параметры - это совокупность чисел, определяющих условия задачи.) Поэтому вопрос, который до недавнего времени задавался теоретику, был: «Что является малым параметром в вашей задаче?» Очень часто этот вопрос надо было понимать как утверждение: «Ваша теория сомнительна, поскольку в
ней нет малого параметра, и непонятно, какую роль играют отброшенные вами члены ряда».
Для решения задачи с помощью ЭВМ не требуется малого параметра. Правда, решение не изображается через какие-либо функции параметров задачи (аналитическая форма решения), а дается в виде набора числовых таблиц. Таким образом, решение не ищется в аналитической форме, с появлением вычислительных машин интерес к ней сильно понизился, но, как мы увидим, все же остался.
Предельный пример вычислительного подхода продемонстрировал блестящий представитель современного «машинного» стиля - американский физик-теоретик Кеннет Вильсон (нобелевский лауреат 1982 года). Он решил на вычислительной машине задачу, названную «задачей Кондо» - по имени японского физика, сделавшего первый шаг в постановке вопроса. Нужно было объяснить аномальное поведение при низких температурах металлов с примесью атомов, имеющих магнитный момент. Магнитная восприимчивость и электрическое сопротивление при очень низких температурах сначала возрастают при понижении температуры, а затем стремятся к конечному пределу. Теоретическое исследование задачи показало, что с уменьшением температуры роль взаимодействия электронов металла с атомами примеси становится настолько существенной, что обычные способы, предполагающие малость взаимодействия, совершенно неприменимы. Необходимы новые методы подхода, не требующие малого параметра. Такие методы стали интенсивно развиваться под влиянием задач, выдвинутых сначала в теории элементарных частиц, а затем в физике твердого тела.
