Ошибки выдающихся ученых и 18-я проблема С. Смейла. Часть 1

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Ошибки выдающихся ученых и 18-я проблема С. Смейла. Часть 1

Новиков Н.Б.



Аннотация

Известный отечественный историк физики В.П. Визгин [1] сообщает, что, изучая архив Президента АН СССР Сергея Ивановича Вавилова (1891-1951), обнаружил в его «Дневниках» аргументы в пользу «ошибочностной» концепции развития научного знания, согласно которой «на ошибках вырастает наука». Нетрудно понять, как С.И. Вавилов пришел к этой концепции. Он был не только блестящим ученым, основателем научной школы физической оптики в СССР, но и историком науки. Его книга «Исаак Ньютон» [2] является одной из лучших работ, освещающих жизнь и научную деятельность первооткрывателя закона всемирного тяготения. Изучая ошибки Ньютона и других крупных физиков, С.И. Вавилов неизбежно должен был прийти к мысли о том, что путь к конкретному научному открытию пролегает сквозь ошибочные представления, освобождение от которых порой занимает у исследователя значительное время. Но в чем причина научных ошибок? Если рассматривать логическую сторону вопроса, то эта причина заключается в мыслительных процедурах (методах мышления), которые мы используем при выдвижении новых идей и гипотез. Анализ показывает, что эти методы по своей природе являются вероятностными (включающими элементы неопределенности), то есть в одних случаях они дают верное знание, а в других приводят нас к ошибкам. Поскольку вероятностная природа упомянутых методов мышления принципиально неустранима, она (и именно она) является объективным препятствием для полной формализации творческого мышления. Последнее утверждение приводит нас к 18-ой проблеме С. Смейла, в которой обсуждаются пределы алгоритмизации интеллекта (как искусственного, так и человека). Вероятность, «внедренная» в структуру наших мыслительных стратегий, дает решение этой проблемы. Таким образом, «ошибочностная» концепция развития научного знания, сформулированная С.И. Вавиловым, оказывается тесно связанной с 18-й проблемой С. Смейла.

Ключевые слова: научные гипотезы, ошибки ученых, методы мышления, пределы алгоритмизации интеллекта, 18-я проблема С. Смейла.



Annotation

Famous Russian physics historian V.P. Vizgin [1] reports that, while studying the archive of the President of the USSR Academy of Sciences Sergei Ivanovich Vavilov (1891-1951), he discovered in his “Diaries” arguments in favor of the concept of the significant role of errors in the development of scientific knowledge. It is not difficult to understand how S.I. Vavilov came to this theory. He was not only a brilliant scientist, the founder of the scientific school of physical optics in the USSR, but also a historian of science. His book “Isaac Newton” [2] is one of the best works covering the life and scientific work of the discoverer of the law of universal gravitation. Studying the mistakes of Newton and other prominent physicists, S.I. Vavilov inevitably had to come to the conclusion that the path to a specific scientific discovery runs through erroneous ideas, liberation from which sometimes takes the researcher considerable time.

But what is the cause of scientific errors? If we consider the logical side of the issue, then this reason lies in the mental procedures (methods of thinking) that we use when putting forward new ideas and hypotheses. Analysis shows that these methods are probabilistic in nature (including elements of uncertainty), that is, in some cases they provide correct knowledge, but in others they lead us to errors. Since the probabilistic nature of the mentioned methods of thinking is fundamentally irremovable, it (and precisely it) is an objective obstacle to the complete formalization of creative thinking.

The last statement leads us to the 18th problem of S. Smale, which discusses the limits of algorithmization of intelligence (both artificial and human). Probability, “embedded” in the structure of our mental strategies, provides a solution to this problem. Thus, the concept of the development of scientific knowledge (emphasizing the role of errors), formulated by S.I. Vavilov, turns out to be closely related to the 18th problem of S. Smale.

Key words: scientific hypotheses, mistakes of scientists, methods of thinking, limits of algorithmization of intelligence, 18th problem of S. Smale.

Концепция развития научного знания, подчеркивающая роль ошибок в этом развитии

В.П. Визгин в статье «Наброски к научной автобиографии» [1] пишет: «В последнее время я немало занимался проблемами ошибок и упущенных возможностей в квантово-релятивистской и калибровочной научных революциях. Я даже обнаружил в «Дневниках» С.И. Вавилова «ошибочностную» концепцию развития научного знания, согласно которой «на ошибках вырастает наука». С ошибками связан и близко примыкающий к ним феномен упущенных возможностей, хотя тут возникают разные варианты связи между ними:

1) исследователь совершает ошибку и в результате упускает возможность;

2) исследователь боится совершить ошибку и в итоге упускает возможность;

3) исследователь совершает ошибку, но при этом использует какие-то идеи или методы, и это сначала ведет к упущению возможностей, но затем, как выясняется, приводит к новым возможностям и т.д. Такого типа ошибки совершали и классики физики XX в.: Эйнштейн, Пуанкаре, Хойл, Паули, Ландау и др.» [1, с.179].

Следует отметить, что идеи, аналогичные концепции С.И. Вавилова, высказывали и другие ученые. В частности, роль ошибок в развитии научного знания подчеркивал выдающийся отечественный математик, ученик А.Н. Колмогорова, Владимир Игоревич Арнольд (1937-2010). В книге «Что такое математика?» [3] он пишет: «Ошибки играют в математике не меньшую роль, чем доказательства: анализируя их причины и пути их преодоления, можно быстрее идти вперед, чем тупо пытаясь продвинуться в малоизученном направлении» [3, с.46].

Ту же мысль он высказывает в статье «Недооцененный Пуанкаре» [4]: «Я полагаю, что ошибки вообще составляют важную часть научной деятельности и что их роль в развитии науки может быть больше, чем роль непонятных, но правильных формальных доказательств следствий из аксиом. Истории этих ошибок предыдущих поколений нужно рассказывать студентам в виде стимулирующих примеров и как источник вдохновенья, причем ошибки величайших ученых наиболее поучительны» [4, с.24].

Концепция роста научного знания, основанная на признании роли ошибок, была близка и американскому астрофизику Карлу Сагану (19341996). Свои взгляды по этому вопросу он изложил в книге «Мир, полный демонов: наука - как свеча во тьме» [5]. В данной книге К. Саган замечает: «Ученым не помешало бы время от времени обсуждать свои ошибки. Это помогло бы прояснить и избавить от мифической составляющей научный процесс, сыграло бы на руку молодому поколению. Даже Иоганн Кеплер, Исаак Ньютон, Чарльз Дарвин, Грегор Мендель и Альберт Эйнштейн допускали серьезные промахи. И в целом наука -- это командная работа: и самые великие ошибаются, и тогда кто-то другой, возможно, даже не столь одаренный и знаменитый, глядишь, обнаружит ошибку и исправит ее. Вот я, например, в прежних моих книгах рассказывал в основном о том, как и в чем я был прав. Позвольте сейчас перечислить некоторые мои заблуждения.

В ту пору, когда на Венеру еще не снаряжались космические корабли, я полагал, что атмосферное давление на этой планете превосходит земное в несколько раз, а не в несколько десятков раз. Я считал, что венерианские облака состоят в основном из воды, а они состоят из воды лишь на 25%. Я ожидал обнаружить тектоническое движение на Марсе, но снимки из космоса не обнаружили и намека на движение плит. Я приписывал инфракрасный спектр Титана (крупнейшего спутника Сатурна - Н.Н.Б.) парниковому эффекту, а оказалось, что дело в температурной инверсии в стратосфере» [5, с.312-313]. «У каждого ученого, - продолжает К. Саган, - свой стиль исследований, кто-то осторожнее, кто-то опрометчивее. Лишь бы новые идеи подлежали проверке, и ученые не впадали в догматизм, а так - ничего страшного, напротив: этими путями и достигается прогресс» [5, с.313].

Далее мы проанализируем ошибочные идеи нашего замечательного соотечественника, крупного физика-теоретика, лауреата Нобелевской премии по физике за 1962 год, Льва Давидовича Ландау (1908-1968). Л.Д. Ландау получил эту премию за создание феноменологической теории сверхпроводимости (над которой он работал совместно с В.Л. Гинзбургом). Но, помимо этого, он является автором многих других научных достижений. Специалисты выделяют следующие, наиболее значимые его результаты:

1) введение понятия матрицы плотности, которое широко используется в современной квантовой статистике;

2) создание квантовой теории диамагнетизма электронного газа;

3) построение теории фазовых переходов второго рода;

4) теоретическое описание доменной структуры ферромагнетиков;

5) создание теории сверхтекучести гелия, в которой было предсказано существование второго звука (экспериментально обнаруженного В.П. Пешковым);

6) вывод уравнения состояния вещества при взрыве, названного «уравнением Ландау - Станюковича»;

7) построение теории ферми-жидкости (квантовой жидкости);

8) формулировка идеи о спиральном нейтрино и принципа комбинированной четности (симметрии);

9) предсказание эффекта «затухания Ландау» в электрон-ионной плазме.

Теперь мы переходим к рассмотрению ошибочных идей Л.Д. Ландау (тех его гипотез, которые не нашли экспериментального подтверждения). Описывая эти неверные результаты, мы часто будем цитировать исследователей, его современников (и не только), которые оставили свои воспоминания о Л.Д. Ландау. Позже, а именно во второй части нашей статьи, мы покажем, почему Л.Д. Ландау ошибался, то есть какие мыслительные процедуры привели его к ошибочным представлениям.

Гипотеза Ландау о том, что в атомных процессах закон сохранения энергии выполняется лишь статистически

Л.Д. Ландау в свое время разделял мнение Нильса Бора о том, что в атомных процессах закон сохранения энергии выполняется лишь статистически. А.С. Сонин в статье «Совещание, которое не состоялось» [6] говорит: «...В 1932 году Ландау поддержал высказанное Бором предположение о несохранении энергии при 0-распаде. В то время еще не существовало теории этого процесса с участием нейтрино, и вопрос о выполнимости закона сохранения энергии в микромире был не ясен» [6, с.92].

Об этом же пишет Геннадий Горелик в книге «Кто изобрел современную физику?» [7]: «Совершенно неосторожный Ландау не стал ждать, пока старшие коллеги выяснят, что делать. Он верил, что лучшее решение кризиса - революция, и ему нравилась революционная идея Бора о том, что новая физика пожертвует законом сохранения энергии ради истинной картины мира» [7].

Л.Д. Ландау даже пытался объяснить с помощью гипотезы о несохранении энергии излучение звезд, а его друг и коллега Матвей Бронштейн, известный своими работами по проблеме квантования гравитации, включил эту гипотезу в одно из уравнений гравитации в виде переменной космологической «константы». Г. Горелик в той же книге [7] приводит слова молодого Л.Д. Ландау: «Следуя красивой идее проф. Нильса Бора, можно думать, что излучение звезд обязано просто нарушению закона сохранения энергии, который, как впервые указал Бор, несправедлив в релятивистской квантовой теории, когда отказывают законы обычной квантовой механики (что доказывается экспериментами по непрерывному спектру электронов бета-распада и стало вероятным благодаря теоретическому рассмотрению). <.> Бронштейн, также принимая идею Бора о несохранении энергии в ch-физике, внес ее и в космологию - в виде переменной космологической «константы» в уравнении гравитации» [7].

Аналогичные сведения можно найти в статье «Квантовая гравитация: судьбы теории и практика судеб» [8], где сообщается: «Ожидалась революционная перестройка, сравнимая с релятивистской и квантовой. Лидер таких настроений Нильс Бор за успех перестройки готов был пожертвовать законом сохранения энергии. Так же думал и Ландау, в то самое время познакомившийся с Бором и на всю жизнь «записавший себя» в его ученики» [8, с.20].

Гипотеза Ландау о том, что в сверхтекучем гелии не могут возникать вихревые структуры («квантовые вихри»)

Исследуя проблему вращения жидкого гелия, Л.Д. Ландау и его коллега Е.М. Лифшиц пришли к ошибочному выводу, что сверхтекучий гелий разбивается на цилиндрические слои, разделенные поверхностями разрыва скорости, в которых жидкость вращается потенциально. В дальнейшем американские физики Ларс Онсагер и независимо от него Ричард Фейнман показали, что в жидком гелии образуются вихревые нити (квантовые вихри), вокруг которых и происходит вращение.

Л.П. Питаевский в очерке «О жизни и творчестве Л.Д. Ландау» [9] пишет: «Речь идет о вращении жидкого гелия. Из потенциальности сверхтекучего движения следует, что сверхтекучая часть остается в покое, когда сосуд с гелием вращается. Такое состояние, однако, делается термодинамически очень невыгодным при больших скоростях вращения. В совместной с Е.М. Лифшицем работе №86 авторы предположили, что сверхтекучая жидкость разбивается на цилиндрические слои, разделенные поверхностями разрыва скорости, в которых жидкость вращается потенциально. Это решение, однако, ошибочно. В действительности, как показали Онсагер [26] и Фейнман [27], энергетически более выгодно образование вихревых нитей с квантованной циркуляцией скорости, вокруг которых и происходит вращение» [9, с.19].

Е.М. Лифшиц описал эту ошибку в письме (1978), которое было адресовано Джону Бардину, создателю микроскопической теории сверхпроводимости. Это письмо приводит Б. Горобец в книге «Круг Ландау» [10]: «В феврале 1955 г. была опубликована работа Ландау и моя, в которой мы пытались объяснить свойства вращающегося жидкого гелия слоистой структурой. Но уже в мае того же года Ландау сообщил мне о том, что он пришел к выводу о неправильности такого объяснения, и изложил построенную им теорию нитевидной вихревой структуры. Уже была написана статья с изложением этой работы, когда в том же мае, в Москве был получен том 1 «Прогресса в физике низких температур» со статьей Фейнмана о том же.

Естественно, что статья Ландау не была передана им в журнал, и он никогда не заявлял по этому поводу никаких приоритетных притязаний» [10, с.390].

Кроме того, Л.Д. Ландау долго не верил в достоверность экспериментов советского физика Э.Л. Андроникашвили (1910-1989), который обнаружил способность жидкого гелия, находящегося во вращающемся сосуде, вращаться вместе с ним. Эти эксперименты также намекали на возможность образования вихревых структур в сверхтекучем гелии. Э.Л. Андроникашвили в статье «Сверхтекучий гелий и макроскопический квант» [11] указывает: «Уже в 1947 году мне было ясно, что гелий вращается как целое при любых температурах: глубина мениска оставалась такой же, как и у всех других жидкостей при всех достижимых скоростях. Ландау эти мои опыты очень не понравились. Он считал, что вместо искомого эффекта наблюдаются какие-то «нестационарности», имеющие хотя и второстепенное значение, но забивающие эффект. Такой же точки зрения он продолжал придерживаться и тогда, когда к аналогичным заключениям пришел в 1949 году английский физик Д. Осборн» [11, с.40-41].

Идея Ландау о том, что турбулентность - результат образования колебаний жидкости с несоизмеримыми частотами

Л.Д. Ландау (1944) разработал модель турбулентности, согласно которой турбулентность жидкости связана с тем, что по мере удаления от порога устойчивости в жидкости образуется большое число колебаний с несоизмеримыми частотами. В 1948 году аналогичную модель предложил немецкий математик Эберхард Хопф (1902-1983). Однако дальнейшие исследования не подтвердили эту теорию.

Л.П. Питаевский в очерке «О жизни и творчестве Л.Д. Ландау» [9] пишет: «В 1944 году Ландау предложил схему развития турбулентности жидкости, основанную на предположении о последовательном появлении в ней, по мере удаления от порога устойчивости, большого числа колебаний с несоизмеримыми частотами (работа №50). Аналогичные соображения были выдвинуты независимо Е. Хопфом в 1948 году [29]. Работа Ландау имела большое стимулирующее значение для теории турбулентности, хотя дальнейшее развитие теории не подтвердило буквально картину Ландау- Хопфа. В действительности, как обнаружил впервые Е.Н. Лоренц (один из основоположников теории хаоса Эдвард Нортон Лоренц - Н.Н.Б.), на некотором расстоянии от порога движение сразу приобретает хаотический характер, приближаясь к так называемому «странному аттрактору» [30]» [9, с.19].

Об этом же сообщают Т.С. Ахромеева и др. в книге «Структуры и хаос в нелинейных средах» [12]: «До начала широкого исследования стохастических режимов средствами вычислительного эксперимента предполагалось, что турбулентность в гидродинамике возникает в результате последовательности бифуркаций, называемой сейчас сценарием Хопфа- Ландау [132, 133]. Обсудим этот сценарий подробнее. Будем полагать, что изучаемое явление описывается конечномерной динамической системой. <...> Пусть ламинарное течение соответствует особой точке этой системы. Будем менять один из параметров течения X (например, число Рейнольдса). При некотором значении X особая точка теряет устойчивость, происходит бифуркация Хопфа и рождается предельный цикл. В результате следующей бифуркации Хопфа возникает инвариантный тор» [12, с.123-124].

«Следующая бифуркация Хопфа, - продолжают авторы, - приведет к появлению инвариантного тора более высокой размерности. При этом решение может стать похожим на спираль, которая с частотой ш3 «навивается» на спираль, возникающую после предыдущей бифуркации. Та траектория, которая появляется после многих бифуркаций Хопфа в сценарии Хопфа-Ландау, и рассматривается как турбулентный режим. Современная экспериментальная техника позволяет выяснить, наблюдаем ли мы в реальной системе многочастотный режим и сколько в нем разных частот [225, 376]. Обычно не удается обнаружить течений более чем с тремя независимыми частотами. Естественно ожидать, что должен существовать другой сценарий...» [12, с.124].

Нужно отметить, что сценарий Ландау-Хопфа был опровергнут в эксперименте, который поставили Гарри Суинни и Джерри Голлаб. Американский историк науки Джеймс Глейк в книге «Хаос. Создание новой науки» [13] пишет об их исследованиях: «Суинни и Голлаб намеревались подтвердить идею Ландау о пороге турбулентности, и эксперименты не давали ни малейшего повода в ней сомневаться. К тому же было известно, что физики, занимавшиеся гидродинамикой, с доверием относятся к соображениям Ландау. Сами физики, Суинни и Голлаб, тоже симпатизировали этой теории, потому что она соответствовала общей картине фазовых переходов» [13, ч.172]. Далее автор пишет о результатах эксперимента Г. Суинни и Дж. Голлаба: «И вдруг последовательность, о которой писал Ландау, разрушилась. Эксперимент не подтвердил теорию. При следующем переходе поток «перепрыгнул» к состоянию беспорядочности, не обнаружив сколько-нибудь заметных циклов: ни новых частот, ни постепенного увеличения беспорядочных фрагментов. Ничего. «Всё, что мы обнаружили, так это то, что он внезапно стал хаотичным» [13, с.172].

Мысль Ландау о недопустимости вводить в теорию сверхпроводимости член, нарушающий симметрию

Л.Н. Ландау считал некорректным принцип спонтанного нарушения симметрии, который лежал в основе микроскопической теории сверхпроводимости Н.Н. Боголюбова. По крайней мере, Л.Д. Ландау активно возражал против того, чтобы вводить в лагранжиан теории Н.Н. Боголюбова член, нарушающий указанную симметрию. Л.Д. Ландау считал подобное введение члена произвольным, ничем не обоснованным.

А.Н. Тавхелидзе в очерке «Н.Н. Боголюбов (штрихи к портрету)» [14] вспоминает: «Сам Николай Николаевич «русский фольклор» прямо почти не употреблял. Он делал доклад на семинаре Ландау по микроскопической теории сверхпроводимости, основанной на применении явления спонтанного нарушения симметрии. Соответственно он вводил в лагранжиан член, нарушающий симметрию. Л.Д. бурно возражал против произвольного введения такого члена, не давая Николаю Николаевичу продолжить доклад. Тогда Николай Николаевич произнес: «Видите ли, товарищи, это мой член, когда и куда хочу - я его и вставлю». Напряжение спало, и дискуссия приняла дружественный характер» [14, с.140].

Следует отметить, что лауреат Нобелевской премии по физике за 2008 год Еитиро Намбу (1961) по аналогии перенес принцип спонтанного нарушения симметрии, используемый Н.Н. Боголюбовым в теории сверхпроводимости, в совсем другую область - теорию элементарных частиц. Именно за этот перенос (аналогию) Е. Намбу и получил указанную премию. Л. Каховский в статье «Нарушенные симметрии» [15] пишет о Е. Намбу: «Он предположил, что физический вакуум - сложная среда, в которой идут различные виртуальные процессы, - похож на сверхпроводник. В вакууме пары, состоящие из безмассовых частиц и их античастиц, служат аналогом куперовских пар; мы же наблюдаем возбужденное состояние вакуума, из-за чего все частицы становятся массивными. Свой подход Намбу изложил в статье, опубликованной в 1961 году (совместно с итальянским коллегой Джованни Иона-Лазинио). В ней он перенес понятие спонтанного нарушения симметрии в совершенно другую область - физику элементарных частиц. Поистине, науку движут нетривиальные аналогии!» [15, с.14].

Об этом же сообщает Ольга Закутняя в статье «Асимметричный ответ» [16]: «Профессор Иоитиро Намбу (Институт Энрико Ферми Чикагского университета, США), получивший половину премии «за открытие механизмов спонтанного нарушения симметрии в субатомной физике», первым разработал механизм спонтанного нарушения симметрии в мире элементарных частиц. Правда, прежде это явление, но применительно к другим областям изучали многие. В частности, в контексте статистической механики, которая имеет отношение к сверхпроводимости, эти вопросы исследовал Николай Боголюбов (выдвигавшийся на Нобелевскую премию, но, к сожалению, ее не получивший). Сам Иоитиро Намбу тоже пришел к идее о спонтанном нарушении симметрии через физику сверхпроводников и в своих работах, кстати, ссылался на Боголюбова. Но он впервые применил методы, развитые в других областях физики, к элементарным частицам» [16].

Идея Ландау о том, что в сверхпроводниках второго рода не могут рождаться вихревые нити («вихри Абрикосова»)

Л.Д. Ландау считал необоснованной (неверной) идею Алексея Алексеевича Абрикосова (1928-2017) о том, что внешнее магнитное поле проникает в сверхпроводник второго рода в виде нитей, названных «вихрями Абрикосова». Между тем в 2003 году за создание теории сверхпроводников II рода, содержащей эту идею квантовых вихрей, А.А. Абрикосов был удостоен Нобелевской премии по физике.

Б. Горобец в книге «Круг Ландау» [10] описывает эту ситуацию следующим образом: «А.А. Абрикосов рассказывает, что Ландау забраковал его идею о квантовых вихрях в сверхтекучем гелии, которая появилась у него раньше, чем у Фейнмана. Если бы Абрикосов поделился ею с Андроникашвили, возможно, они оба укрепили бы друг друга в реальности вихрей и сделали это открытие раньше, чем американец. И к тому же у Абрикосова появился бы свидетель его приоритета» [10, с.211].

Об этом же пишет Ю.П. Степановский в статье «Макроскопические квантовые явления: феноменологические теории сверхпроводимости и сверхтекучести» [17]. В частности, Ю.П. Степановский приводит рассказ уже упоминавшегося нами Джона Бардина, изобретателя транзистора и автора микроскопической теории сверхпроводимости, двукратного обладателя Нобелевской премии: «На каждой Международной конференции по физике низких температур присуждается награда имени Ф. Лондона выдающемуся физику в этой области. В прошлом году (в 1972 г. - Н.Н.Б.) был награжден А.А. Абрикосов, бывший ученик Ландау, который построил теорию сверхпроводников II рода и опубликовал ее в 1957 году... Хотя Абрикосов не смог приехать, чтобы лично получить награду, он прислал текст своего выступления. Прочитанное от его имени, это выступление было одним из самых интересных на конференции. Абрикосов рассказал, что построил свою теорию еще в 1953 году, но его работа была настолько абстрактной и математической, что Ландау не понял физики, которая в ней скрывалась. Абрикосов спрятал свою работу в ящик стола и не опубликовал ее. Работа лежала до тех пор, пока через несколько лет Фейнман не заговорил о существовании квантованных вихрей в жидком гелии. Ландау сумел увидеть аналогию и позволил Абрикосову опубликовать его теорию» [17, с.107-108].

Теперь обратимся к Нобелевской лекции А.А. Абрикосова [18], прочитанной им в Стокгольме (Швеция) в 2003 году. Данная лекция опубликована в журнале «Успехи физических наук» спустя год. В ней А.А. Абрикосов говорит: «Результаты по существованию вихревой решетки я получил в 1953 г., но их публикация была отложена из-за несогласия Ландау с самой идеей моей работы. Лишь после того, как Р. Фейнман опубликовал свою статью по вихрям в сверхтекучем гелии [9], и Ландау принял идею вихрей и согласился с моим выводом, я опубликовал свою статью в 1957 г. [10]. В то время, несмотря на наличие английского перевода, она не привлекла к себе внимания. Интерес к моей работе возник лишь в начале шестидесятых годов, после открытия сплавов и соединений с высокими критическими магнитными полями» [18, с.1238].

вероятностный неопределенность научный знание вавилов смейл

Предположение Ландау о том, что в слабых взаимодействиях должна сохраняться четность (симметрия правого и левого)

Как известно, в 1956 г. американские ученые Ч. Янг и Ц. Ли сформулировали идею о несохранении четности в слабых взаимодействиях. Аргументов в пользу этой идеи было немного, поэтому Ч. Янг и Ц. Ли предложили поставить эксперимент, который пролил бы свет на данный вопрос. Они предсказали, что если исследовать направление движения продуктов распада кобальта-60, то эти продукты будут испускаться в выделенном направлении, а не равновероятно во всех направлениях (как этого требует идея сохранения четности). Замечательная женщина-ученый Ц. Ву провела в 1956 г. указанный эксперимент, обнаружив, что распад атомов кобальта-60 происходит именно так, как предсказывают Ч. Янг и Ц. Ли. Уже через год последние получили Нобелевскую премию за свое открытие, которое оказалось неожиданным для многих физиков, в том числе для Л.Д. Ландау. До эксперимента с кобальтом-60 Лев Давидович был глубоко убежден в том, что слабые взаимодействия подчиняются тому же принципу симметрии (четности), как и другие фундаментальные взаимодействия. Этому убеждению противоречили опыты по исследованию распада двух носителей слабого взаимодействия - тау-мезона и тета-мезона («загадка 0-т»), но Л.Д. Ландау считал, что со временем появятся исследования, которые подтвердят его убеждение. Аналогичной точки зрения придерживался и Вольфганг Паули (1900-1958).

Л.Д. Ландау неоднократно излагал свои представления о симметрии в беседах с молодыми физиками, в том числе с Иосифом Соломоновичем Шапиро (1918-1999). В 1956 г. И.С. Шапиро подготовил статью с изложением гипотезы о несохранении четности, но не стал ее публиковать, а решил сначала обсудить ее с Л.Д. Ландау. Во время обсуждения Л.Д. Ландау раскритиковал указанную гипотезу, после чего И.С. Шапиро отказался от ее публикации (нужно отметить, что и сам И.С. Шапиро не очень верил в свою гипотезу, хотя при положительном отзыве Л.Д. Ландау опубликовал бы ее).

Б. Горобец в книге «Круг Ландау» [10] приводит воспоминания И.С. Шапиро, которые объясняют причину ошибки Л.Д. Ландау: «Однако идея несохранения четности была ему тогда несимпатична. «В принципе это не невозможно, но такой скособоченный мир был бы мне настолько противен, что думать об этом не хочется». <...> По-видимому, именно эта неприязнь к «скособоченному миру» впоследствии стимулировала его активность, породившую идею сохранения СР-четности. <...> Моя работа осталась неопубликованной потому, что я не понимал, каким образом в евклидовом пространстве возникает физическая асимметрия левого и правого» [10, с. 213].

Об этом же пишет Б.Л. Иоффе в книге «Без ретуши. Портреты физиков на фоне эпохи» [19]: «Весной 1956 г. Ли и Янг выступили со своей революционной статьей, в которой выдвинули гипотезу о несохранении четности в слабых взаимодействиях, объяснили загадку 0 - т и вычислили эффекты несохранения четности в 0-распаде и цепочке распадов п - ц - е. Ландау категорически отвергал возможность несохранения четности, говоря: «Пространство не может быть асимметрично!» [19, с.20].

Этот эпизод обсуждается также в заметке В.Б. Берестецкого «Исследования в области элементарных частиц» [20], где автор указывает: «Еще до опыта, когда вопрос только обсуждался, но прямых экспериментов по несохранению четности не было, Ландау стал размышлять на тему, возможен ли подобный эффект. Он твердо считал, что пространство не может иметь такой право-левой асимметрии, и вначале думал, что результаты опытов будут отрицательными...» [20, с.70]. «Проблема несохранения четности, - продолжает автор, - возникла из явлений, которые привели к мысли, что четность, может быть, не сохраняется. Физики Ли и Янг, выдвинувшие эту идею, были награждены Нобелевской премией. Но их подход к вопросу был чисто эмпирическим. Для Ландау же характерен иной подход. Пока он не понял, что нарушение четности не нарушает законов симметрии, он не хотел верить в возможность таких эффектов» [20, с.71].

После того, как была доказана идея Ч. Янга и Ц. Ли о несохранении четности в слабых взаимодействиях, Л.Д. Ландау счел возможным преодолеть открытый эффект асимметрии с помощью принципа комбинированной симметрии. Этот принцип был основан на совместном применении пространственной инверсии и зарядовой сопряженности (асимметрия переносилась на сами частицы). Но и этот принцип был опровергнут в экспериментах американских физиков Вала Фитча и Джеймса Кронина, которые в 1980 г. удостоены Нобелевской премии по физике за открытие, сделанное в 1964 г. О полученных результатах В. Фитч сообщает в Нобелевской лекции «Открытие несохранения комбинированной четности» [21].

Гипотеза Ландау о том, что нейтрино должны иметь нулевую массу покоя

В свое время известный физик, создатель электрослабой теории и лауреат Нобелевской премии, Абдус Салам (1926-1996) выдвинул гипотезу о том, что нейтрино не может иметь массы покоя. Аналогичную гипотезу формулировал и Л.Д. Ландау (1957), полагавший, что масса покоя нейтрино и антинейтрино равна нулю (m = 0). Это утверждение Л.Д. Ландау опровергнуто в 1996-2001 годах двумя группами ученых.

Первая группа, возглавляемая японцем Такааки Каджитой, и вторая группа, работавшая под руководством канадца Артура Макдональда, экспериментально установили, что нейтрино демонстрируют осцилляции (переходы из одного аромата в другой), а это возможно лишь в том случае, если нейтрино обладают массой покоя. В 2015 году Т. Каджита и А. Макдональд отправились в Стокгольм (Швеция), чтобы получить Нобелевскую премию за свое открытие. Примечательно, что еще до этого экспериментального успеха двух научных коллективов были ученые (Б.М. Понтекорво, А.Д. Сахаров, М. Гелл-Манн), говорившие о том, что нейтрино может обладать массой. Отметим, что кроме А. Салама и Л.Д. Ландау ошибочная гипотеза о нулевой массе нейтрино была сформулирована Ч. Янгом и Ц. Ли - первооткрывателями нарушения четности в слабых взаимодействиях.

Об ошибке Л.Д. Ландау пишет Андрей Дмитриевич Сахаров в 1-ом томе книги «Воспоминания» [22]: «...Паули и Людерс установили, что из основных принципов квантовой теории поля следует симметрия относительно совместного преобразования C, P и T (так называемая CPT-симметрия). Затем этот вывод был сильно подкреплен другими авторами. Поэтому физики имеют некий рубеж, дальше которого им, по всей вероятности, отступать не придется. Но сначала была сделана попытка «закрепиться на промежуточном рубеже». Ряд авторов, среди них Ландау и Салам, высказали предположение, что точной симметрией является «комбинированная симметрия» CP. Предпосылка, из которой при этом исходил Ландау - равенство нулю массы нейтрино, - по- видимому, неправильна» [22].

О том, что гипотеза Л.Д. Ландау о двухкомпонентных нейтрино включала постулат о безмассовости нейтрино, сообщает также А.А. Абрикосов в книге «Академик Л.Д. Ландау» [23]: «В рамках закона комбинированной четности оказалась возможной новая модель нейтрино, также выдвинутая Л.Д. Ландау. В этой модели нейтрино является «двухкомпонентным», т.е. его спин всегда направлен против его движения. Антинейтрино при этом обладает спином в направлении его движения. Если такая модель справедлива, масса покоя нейтрино в точности равна нулю» [23, с.38].

Вот еще один источник, описывающий ошибку Л.Д. Ландау. Известный отечественный физик, академик С.С. Герштейн в статье «Великий универсал XX века» [24] поясняет мотивацию, заставившую Л.Д. Ландау ввести концепцию двухкомпонентного (спирального) нейтрино: «Концепция спирального нейтрино казалась Ландау привлекательной еще и потому, что спиральное нейтрино должно было быть безмассовым. Это вроде бы согласовывалось с тем, что эксперименты по мере увеличения точности давали всё более низкий верхний предел на массу нейтрино» [24, с.20].

Идея Ландау о том, что оболочечная модель атомного ядра не является обоснованной (корректной) моделью

Известно, что атомы, в которых число электронов, вращающихся вокруг ядра, составляет 2, 8, 20, 50, 82, 126, обладают особой стабильностью. Эти числа в дальнейшем были названы «магическими». В 1934 году немецкий физик Вальтер Эльзассер (1904-1991), руководствуясь аналогией, высказал гипотезу, что атомные ядра с числами протонов или нейтронов, равными 2, 8, 20, 50, 82, 126, также должны обладать особой стабильностью. Далее, развивая эту аналогию, немецкий физик Йоханнес Ханс Йенсен (1907-1973) и его соотечественница Мария Гепперт-Майер (1906-1972) пришли к выводу, что если «магические числа» электронов объясняются распределением этих электронов в атоме по оболочкам, то и «магические числа» нуклонов дают основание постулировать распределение протонов и нейтронов в атомном ядре по таким же оболочкам. Так возникла оболочечная модель атомного ядра. В 1963 году Й.Х. Йенсен и М. Гепперт-Майер получили Нобелевскую премию по физике с формулировкой «за открытия, касающиеся оболочечной структуры ядра».

Как ни странно, Л.Д. Ландау первоначально относился к оболочечной модели ядра резко отрицательно, полагая, что она противоречит капельной модели ядра, предложенной его учителем Нильсом Бором (1936), а еще ранее, хотя и в том же году, - советским физиком Яковом Ильичем Френкелем (18941952).

Мирон Амусья в статье «Атомные ядра, пионная конденсация и кое-что еще» [25] пишет о состоянии теории атомного ядра в 1960-х годах: «Эта область к тому моменту развивалась на основе нескольких моделей, называемых феноменологическими, поскольку они основывались на уже наблюдаемых в опытах свойствах ядер. Две наиболее известные из них, модель жидко-капельная, предложенная Н. Бором в 1936 г., и оболочечная, предложенная М. Гепперт-Майер и Йенсеном в 1949-50-х гг., исходили, на первый взгляд, из прямо противоположных представлений о характере движения нуклонов - протонов и нейтронов в ядре - сильно скоррелированного в первой модели и независимого - во второй. Это противоречие и известная большая величина межнуклонного взаимодействия объясняют первоначальное резко отрицательное отношение Л.Д. Ландау к оболочечной модели. Поскольку обе опирались на обширный экспериментальный материал, преодоление указанного противоречия было необходимо. Оно потребовало значительных усилий и времени...» [25, с.3].

Интересно, что сын Нильса Бора - Оге Бор (1922-2009), лауреат Нобелевской премии по физике за 1975 год, внес важный вклад в разработку оболочечной модели атомного ядра. Понимая, что капельная модель ядра, предложенная его отцом, не способна объяснить многие важные свойства атомных ядер, О. Бор совместно с Б. Моттельсоном (1950-е гг.) сформулировал так называемую коллективную (обобщенную) модель ядра. О. Бор в статье «О структуре атомных ядер» [26] пишет о капельной модели своего отца: «Предложенная модель жидкой капли уже спустя несколько лет получила удивительное подтверждение в связи с открытием деления ядер. <.> Здесь действительно имеет место весьма близкая аналогия с механизмом, посредством которого колеблющаяся капля жидкости может разбиться на две меньшие капли. Вскоре стало очевидным, что на основе этой аналогии можно объяснить многие важные характеристики процесса деления ядер - в частности, вклад в процесс деления, вносимый в случае обычного урана медленными нейтронами, благодаря их взаимодействию с ядрами более легкого изотопа U²³⁵. Однако исследование других ядерных свойств привело к совершенно иному аспекту ядерной структуры, никоим образом не укладывающемуся в рамки модели жидкой капли» [26, с.490].

Мысль Ландау о невысокой ценности теории диссипативных структур, построенной И.Р. Пригожиным

Л.Д. Ландау не находил ничего ценного в теории диссипативных структур И. Пригожина, называя «необратимой глупостью» работы И.Р. Пригожина (лауреата Нобелевской премии по химии за 1977 год) по термодинамике необратимых процессов. Л.Д. Ландау не верил в то, что в условиях, далеких от равновесия, порядок может возникать из хаоса, то есть негативно относился к одному из основных положений теории И.Р. Пригожина.

Э.Л. Андроникашвили в заметке «Ленинградский период жизни молодого профессора Ландау» [27] отмечает: «Если он чего-нибудь не понимал, то сходу отбрасывал непонятное. «Термодинамика необратимых процессов есть необратимая глупость», - говорил Ландау, не желая вдуматься в смысл тех понятий, за которые несколькими годами позже была присуждена Нобелевская премия» [27, с.44]. «Он был, несомненно, скован устоявшимися понятиями классической и квантовой физики и не очень-то верил в то, что природа может на каких-то участках отклониться от этих законов» [27, с.4445].

Об этом же пишет Б. Горобец в книге «Круг Ландау» [10]: «Вспоминаю, как в 1979 г., после выхода X тома Курса «Физическая кинетика», я обсуждал это событие с одним из своих сокурсников В.Ю. Зицерманом, специалистом в области расчетов неравновесных термодинамических процессов, работающим в Институте физики высоких температур АН СССР. Он высказал мнение, что недостаток книги - отсутствие в ней следов всемирно признаваемой теории, связанной с именем Нобелевского лауреата Ильи Пригожина. <...> Я пересказал это мнение Е.М. Лифшицу. Он отреагировал неожиданно резко. «Дау всегда считал, что Пригожин - нуль, полный нуль! А вот кто действительно заложил основы того, о чем вы говорите, так это Л. Онсагер. И как раз мы с Дау были среди первых, кто оценили теорему Онсагера, и включили параграф о его кинетических коэффициентах в наш Курс. И мы всегда ссылаемся на Онсагера, а Пригожин здесь не при чем» [10, с.211-212].

Идея Ландау о том, что не существует ни одного варианта квантовой теории поля, пригодного для описания сильных взаимодействий

Электрон окружен облаком виртуальных электронно-позитронных пар, экранирующих его заряд (эффект электромагнитной поляризации вакуума). В результате этой экранировки заряд электрона, воспринимаемый внешним наблюдателем, уменьшается по сравнению с зарядом «голого» электрона. Если предположить, что законы квантовой электродинамики (КЭД) выполняются для точечного электрона, то в этом случае реально наблюдаемый заряд электрона обращается в нуль. Этот факт (состоящий в том, что любой конечный затравочный заряд экранируется до нуля) получил название «московского нуля». Физики знали, что это бессмысленный результат, не соответствующий реальности (реальный электрон не может обладать зарядом, равным нулю). Л.Д. Ландау со своими учениками пытался найти такую версию квантовой теории, в которой удалось бы избавиться от этого бессмысленного результата, но все попытки оказались безуспешными. На этом основании Л.Д. Ландау сформулировал идею о том, что ни один вариант квантовой теории поля непригоден для описания сильных (ядерных) взаимодействий. Отсюда его утверждение: «Гамильтонов метод в квантовой механике изжил себя и должен быть похоронен, конечно, со всеми почестями, которые он заслужил». Эта идея Л.Д. Ландау оказалась ошибочной.

Ее опровергли Фрэнк Вильчек и Дейвид Гросс (1973). Они нашли вполне пригодный вариант такой теории - теорию Янга-Миллса, которая, являясь калибровочной теорией с неабелевой калибровочной группой, может использоваться для описания сильных взаимодействий. Теория Янга-Миллса позволила Ф. Вильчеку и Д. Гроссу открыть асимптотическую свободу. В 2004 году они вместе с Д. Политцером удостоены Нобелевской премии по физике. Асимптотическая свобода -- это физический эффект, возникающий в некоторой калибровочной теории, в которой взаимодействие между частицами (например, кварками) становится сколь угодно малым при уменьшении расстояния между частицами. Другими словами, в асимптотическом пределе г-0 частицы перестают взаимодействовать и становятся свободными.

Л.П. Питаевский в очерке «О жизни и творчестве Л.Д. Ландау» [9] пишет: «Ландау и И.Я. Померанчук поняли, что теории с нуль-зарядом не годятся для описания сильных взаимодействий. (К такому же заключению пришел и Е.С. Фрадкин [43]). Некоторое время Ландау настойчиво искал вместе со своими учениками теорию, в которой вакуум не экранирует, а, наоборот, увеличивает заряд. Более конкретно, теорию, где связь физического заряда с затравочным дается формулой, аналогичной (8), но со знаком «минус» в знаменателе. Не найдя такой теории, он пришел к заключению, что известные теории не годятся для описаний сильных взаимодействий. Здесь он был совершенно прав. А из этого он сделал вывод, что квантовая теория поля вообще не пригодна, и нужно строить теорию по-другому, опираясь лишь на аналитические свойства диаграмм. Здесь Ландау оказался не прав, и его ошибка весьма поучительна. Оказалось, что теории с усилением взаимодействия существуют. Это так называемые теории полей Янга-Миллса [44], или калибровочных полей. Их называют теориями с асимптотической свободой, поскольку в таких теориях частицы слабо взаимодействуют на малых расстояниях» [9, с.24]. «Эта история учит нас, - продолжает автор, - что физика -- это наука о свойствах реального мира, и что даже выдающимся теоретикам опасно убегать далеко вперед от эксперимента» [9, с.24-25].

Ф.А. Вильчек в Нобелевской лекции «Асимптотическая свобода: от парадоксов к парадигмам» [28] говорит: «Ландау полагал, что его аргумент разрушил квантовую теорию поля как способ примирения квантовой механики и СТО. В конце концов, как квантовая механика, так и СТО могли бы быть неверны, или должен был появиться новый, отличный от квантовой теории поля, метод непротиворечивого описания квантовых и релятивистских эффектов. Ландау не был расстроен таким заключением, так как квантовая теория поля не давала удовлетворительного описания сильных взаимодействий, несмотря на многочисленные попытки это сделать. Однако ни он, ни кто-либо другой не предложили подходящей альтернативы. Итак, мы пришли к парадоксу, состоящему в том, что объединение квантовой механики и СТО неизбежно ведет к квантовой теории поля, которая, несмотря на значительные успехи, логически противоречива вследствие эффекта экранирования. Указанные парадоксы были разрешены с помощью открытой нами асимптотической свободы» [28, с.1328]. «Теории, в которых была обнаружена асимптотическая свобода, - продолжает ученый, - были названы неабелевыми калибровочными теориями, или теориями Янга-Миллса [5]. Они представляют собой обобщение электродинамики».

Заключение

Итак, мы рассмотрели десять научных идей Л.Д. Ландау, которые оказались ошибочными, т.е. не выдержавшими проверку временем. Аналогичное описание этих гипотез отечественного физика-теоретика, не подтвержденных экспериментом, читатель найдет в нашей книге «Владеют ли гении универсальным алгоритмом?» [29], в которой проведен анализ 1366 ошибочных научных результатов, относящихся к различным областям науки (включая математику, химию, биологию и т.д.). Разумеется, неизбежно встает вопрос: почему ученые (даже самые крупные) так часто ошибаются? Что лежит в основе их ошибок? Во 2-й части статьи мы покажем, что эти ошибки определяются вероятностной природой методов мышления, которые используются учеными в научном поиске. Мы называем эти методы (стратегии) обработки информации вероятностными, так как в одних случаях они дают верные результаты, а в других приводят к ошибочным гипотезам.

Они (эти методы) никак не укладываются в схему строгих, детерминированных алгоритмов, когда истинность исходных посылок однозначно определяет истинность конечных (финальных) заключений, как это происходит в дедукции. Но ученые, работающие на переднем крае науки, не могут отказаться от этих вероятностных методов мышления, поскольку в этом случае существенно замедлился бы процесс генерации новых идей, а также процесс экспериментальной проверки этих идей. Здесь достаточно вспомнить высказывание Ф. Энгельса из его «Диалектики природы» [30]: «Если бы мы захотели ждать, пока материал будет готов в чистом виде для закона, то это значило бы приостановить до тех пор мыслящее исследование, и уже по одному этому мы никогда не получили бы закона» [30].



Литература

1. Визгин В.П. Наброски к научной автобиографии // Управление наукой: теория и практика. - 2023. - Том 5. - №1. - С.167-184.

2. Вавилов С.И. Исаак Ньютон. - М.: «Наука», 1989. - 271 с.

3. Арнольд В.И. Что такое математика. - М.: МЦНМО, 2002. - 104 с.

4. Арнольд В.И. Недооцененный Пуанкаре // Успехи математических наук. - 2006. - Том 61. - № 1 (367). - С.3-24.

5. Саган К. Мир, полный демонов: наука - как свеча во тьме. - М.: «Альпина нон-фикшн», 2014. - 537 с.

6. Сонин А.С. Совещание, которое не состоялось // Природа. - 1990. - №1. - С.91-98.

7. Горелик Г. Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации. - М.: АСТ, CORPUS, 2013. - 334 с.

8. Квантовая гравитация: судьбы теории и практика судеб // Знание-сила. - 2005. - №11. - С.16-27.

9. Ландау Л.Д. Собрание трудов в 2-х томах. Том 1. Под ред. Е.М. Лифшица. - М.: «Физматлит», 2008. - 496 с.

10. Горобец Б. Круг Ландау. - СПб.: изд-во «Летний сад», 2006. - 656 с.

11. Андроникашвили Э.Л. Сверхтекучий гелий и макроскопический квант // Техника - молодежи. - 1972. - №4. - С.38-41.

12. Ахромеева Т.С., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г., Самарский А.А. Структуры и хаос в нелинейных средах. - М.: «Физматлит», 2007. - 488 с.

13. Глейк Дж. Хаос. Создание новой науки. - СПб.: «Амфора», 2001. - 398 с.

14. Тавхелидзе А.Н. Н.Н. Боголюбов (штрихи к портрету) // сборник «Воспоминания об академике Н.Н. Боголюбове». Редакторы-составители: В.С. Владимиров, И.В. Волович. - М.: МИАН, 2009. - С.135-142.

15. Каховский Л. Нарушенные симметрии // Химия и жизнь. - 2008. - №12. - С.14-16.

16. Закутняя О. Асимметричный ответ // Итоги. - 2008. - № 44 (646).

17. Степановский Ю.П. Макроскопические квантовые явления: феноменологические теории сверхпроводимости и сверхтекучести // Электромагнитные явления. - 2004. - Том 4. - №1 (13). - С.101-116.

18. Абрикосов А.А. Сверхпроводники второго рода и вихревая решетка // Успехи физических наук. - 2004. - Том 174. - №11. - С.1234-1239.

19. Иоффе Б.Л. Без ретуши. Портреты физиков на фоне эпохи. - М.: «Фазис», 2004. - 160 с.

20. Берестецкий В.Б. Исследования в области элементарных частиц // сборник «Воспоминания о Л.Д. Ландау». Под ред. И.М. Халатникова. - М.: «Наука», 1988. - С.69-72.

21. Фитч В.Л. Открытие несохранения комбинированной четности // Успехи физических наук. - 1981. - Том 135. - №2. - С.185-194.

22. Сахаров А.Д. Воспоминания. Том 1. - М.: изд-во «Права человека», 1996. - 912 с.

23. Абрикосов А.А. Академик Л.Д. Ландау. - М.: «Наука», 1965. - 48 с.

24. Герштейн С.С. Великий универсал XX века // Природа. - 2008. - №1. - С.15-33.

25. Амусья М. Атомные ядра, пионная конденсация и кое-что еще // сайт журнала «Успехи физических наук», март 2011 г.

26. Бор О.О структуре атомных ядер // Успехи физических наук. - 1958. - Том 65. - №3. - С.489-497.

27. Андроникашвили Э.Л. Ленинградский период жизни молодого профессора Ландау // сборник «Воспоминания о Л.Д. Ландау». Под ред. И.М. Халатникова. - М.: «Наука», 1988. - С.42-45.

28. Вильчек Ф.А. Асимптотическая свобода: от парадоксов к парадигмам // Успехи физических наук. - 2005. - Том 175. - №12. - С.13251338.

29. Новиков Н.Б. Владеют ли гении универсальным алгоритмом? (Еще раз о 18-й проблеме С. Смейла). - М.: ИП РАН, 2020. - 1010 с.

30. Энгельс Ф. Диалектика природы. - М.: «Политиздат», 1987. - 349 с.

Размещено на Allbest.Ru

...