Три «Фэ» от Пенроуза, или Осенняя интерлюдия

Новая книга от выдающегося ученого носит далеко не случайное название «Мода, Вера и Фантазия – в новой физике Вселенной». Неслучайным же этот набор слов является для следствия сразу по целому комплексу причин.

Во-первых, все из обозначенных автором подтем – и Мода или Fashion, и Вера или Faith, и Фантазия или Fantasy (семантически так и просится сюда же добавление Fake или Фальшивка) – в контексте современной физической науки весьма подробно разбираются также и на страницах сайта «книга новостей». Будь то в рамках детективного сериала Sci-Myst или же параллельного проекта «Женщины, Эйнштейн и Голография». [ff]

Ну а во-вторых, в точности так же, как и нынешняя книга, назывался цикл из трех публичных лекций Пенроуза, прочитанных им в 2003 году в США по приглашению Принстонского университета. А городок Принстон, что надо непременно подчеркнуть, с учетом расположенного здесь же IAR, Института передовых исследований, является если и не «мировой штаб-квартирой» теории струн, то по меньшей мере одним из главнейших центров данного направления в науке.

Поэтому приглашение читать лекции, а затем и публикация в издательстве того же университета соответствующей книги Пенроуза – видного и убежденного критика струнной теории – это, безусловно, очень достойный и благородный жест со стороны администраторов науки…

Переходя же к сути собственно работы, весьма нелицеприятно, прямо скажем, оценивающей состояние дел в обширных и важных областях нынешней теоретической физики, позицию Пенроуза можно вкратце описать так. Доминирующая в космологии теория инфляции – это, по сути дела, математическая Фантазия ученых, которую все более убедительно опровергают новые результаты астрофизических наблюдений и измерений.

Квантовая механика на базе копенгагенской интерпретации, давно и прочно утвердившаяся в квантовой теории как «истина», на самом деле является не более чем Верой физиков. Верой, хорошо подстроенной под множество экспериментов, однако ставшей мощным тормозом для объединения квантовой теории с гравитацией. Поэтому здесь для реального прогресса, по мнению Пенроуза, наверняка придется отказаться от целого ряда базовых идей или догматов веры.

Наконец, теория струн, или Мода в классификации автора, вызывает у Пенроуза, что видно уже по предисловию, наиболее серьезный научный дискомфорт. И главной причиной этого дискомфортного восприятия является для ученого фундаментальная идея в основе суперсимметричных и струнных конструкций – о насущной необходимости множества дополнительных измерений в любой теории, претендующей на действительно глубокое проникновение в тайны природы.

Сразу же надо подчеркнуть, что Пенроуз – как интеллигентный и просто вежливый человек – никоим образом не громит все перечисленные теории с высот своей компетентности и заслуженного авторитета. Скорее наоборот, он критикует ситуацию в очень мягких формулировках, причем с немалой долей самоиронии. Потому что и собственные известные разработки этого ученого стали отчасти модными в теории струн, отчасти укрепляют веру в догмы квантовой теории, а отчасти и присутствуют в «сумасшедших фантазиях» космологии.

Но как бы там ни было, «тема отказа» от дополнительных измерений в физике проявлена новой книгой Пенроуза предельно отчетливо. Причем автор сразу же, на первых страницах вступления считает необходимым прояснить, почему считает данную тему наиболее важной и актуальной.

Почти полтора десятка лет назад, в декабре 2002, ученый принимал участие в большой научно-праздничной конференции «Будущее теоретической физики и космологии», устроенной в честь 60-летия Стивена Хокинга. Поскольку на пышно отмечавшееся мероприятие собрался чуть ли не весь цвет мировой физико-математической науки, включая и множество мэтров теории струн, Пенроуз счел данную трибуну весьма подходящей, чтобы сделать тщательно продуманный и откровенно «подрывной» по своей сути доклад. [xd]

Подрывная суть послания была заложена уже в его названии: «О нестабильности дополнительных измерений пространства». Ну а собственно в докладе ученый дал развернутый и глубоко аргументированный набор доводов, ясно и отчетливо доказывающих вот какой неприятный факт. Довольно давно, еще в начале и в середине XX века в математике были получены очень сильные и никем не опровергнутые результаты, демонстрирующие принципиальную нестабильность пространства-времени с числом измерений больше четырех.

На техническом языке науки это носит название «проблема функциональной свободы». На более же доходчивом общечеловеческом языке это означает, что при увеличении числа пространственных измерений у частиц появляется слишком много вариантов поведения, отчего геометрия пространства уже не может удерживаться в целостном состоянии. Иначе говоря, без особых механизмов, обеспечивающих стабилизацию формы, геометрия пространства сразу же начинает разрываться и разваливаться.

Формулируя то же самое чуть иначе, по убеждению Пенроуза это означает вот что. Поскольку никаких специальных механизмов, стабилизирующих форму многомерного пространства, в основы теории струн никто не закладывал, то получается, что великая армия струнных теоретиков увлеченно занимается разработкой такой конструкции, которая не имеет никакого отношения к окружающей нас природе…

Бесспорно компетентные в математике светила струнной теории, конечно же, и раньше были наслышаны об этой большой проблеме. Однако всегда предпочитали считать её «чисто классической», то есть не имеющей прямого отношения к квантовым основам теории струн. Роджер Пенроуз, однако, в своем докладе особо подчеркивал именно квантовые аспекты проблемы, настаивая на необходимости ясности и понимания в столь принципиальных моментах теории.

Если судить по ощущениям самого Пенроуза, это давнее и столь важное для него послание струнные теоретики фактически проигнорировали. Отчего, собственно, он и считает необходимым возвращаться вновь к той же самой теме в своей новой книге. И в очередной раз твердо, с привлечением дополнительных аргументов настаивает на нестабильности пространств с увеличенным сверх обычного числом измерений…

Почему столь знающий и проницательный ученый в упор не видит, что струнные теоретики и их коллеги-смежники не только занимаются данной проблемой, но и уже практически нашли тот самый естественный природный механизм, который удерживает многомерную структуру в супер-стабильной форме – на этот вопрос наука математика вряд ли ответит. Тут, скорее, должна помочь психология.

Для следствия, однако, намного важнее разбираться с конструкцией физико-математической структуры, нежели с механизмами психологических блоков.

_11_СТАБИЛЬНОСТЬ ЧЕРЕЗ РАЗДВОЕНИЕ

Именно этой геометрической структуре – обеспечивающей высочайшую динамическую устойчивость для пространства вселенной на основе сцепленной пары параллельных мембран – и посвящена главная линия нынешнего эпизода.

В основу же рассказа – как того требует жанр детектива в масштабе реального времени – будет положено одно совсем новое и во многом примечательное исследование. Работа проделана командой весьма известных в струнной физике людей и была представлена в виде доклада на недавней конференции Strings 2016 в Пекине.

Небезынтересно также и то, что обложка соответствующей презентации, визуально сопровождавшей доклад, отчетливо и недвусмысленно воспроизводит картинку, с которой начинается очень важный раздел путеводителя «Там За Облаками». Раздел носит название «тзо_6.2_ФОРМЫ» и несколько иначе – более обобщенно – рассказывает по сути о том же самом. Об устройстве той супер-стабильной и скрытой от нас конструкции, что лежит в основе нетривиальной геометрии пространства-времени и топологического устройства вселенной.

И тот, и другой материал, как можно догадаться, рассказывают о вещах, пока что для науки сильно непривычных. А потому, дабы новейшие результаты ученых-теоретиков воспринимались адекватно – как раскрытие важных взаимосвязей и новых горизонтов (а не странный набор причудливых фактов), – полезно для начала обозначить надлежащий фон или содержательный контекст.

То есть имеет смысл вкратце напомнить, когда именно современная наука на данную конструкцию вышла, насколько важные результаты с ее помощью уже удалось получить, сколь перспективные новые направления тут открыты еще… И как оно в итоге вдруг вышло так, что все это богатство лидеры научного сообщества тут же отвергли и попытались забыть.

Модель Хоравы-Виттена

Вряд ли кто станет возражать, что для движения науки к цельной и непротиворечивой картине природы особо важны такие этапы, когда удается сводить воедино прежде разные, не пересекающиеся или даже концептуально не стыкующиеся области исследований. Для мира физиков в середине 1990-х годов главным событием такого рода стало появление М-теории Виттена, одним махом объединившей сразу полдюжины важных, но прежде несовместимых теорий.

Сначала, на ежегодной конференции Strings летом 1995, Эдвард Виттен продемонстрировал это коллегам в виде красивой и мощной гипотезы. Оперевшись на уже известные соотношения-дуальности и сравнительно новую по тем временам концепцию бран, он показал, что в принципе все пять конкурирующих, но существенно отличающихся версий суперструнной теории – это разные предельные случаи одной и той же 11-мерной «М-теории». Которая накрывает не только их все, но еще и 11-мерную теорию суперсимметричной гравитации в придачу.

Причем вскоре первичные качественные предположения удалось внушительно закрепить и вполне убедительной математикой. В конце 1995 и начале 1996 годов – как результат сотрудничества Виттена с молодым чешским теоретиком Петром Хоравой – появились две статьи с описанием уже конкретной геометрической конструкции для реализации всех нужных свойств гипотетической М-теории. [hw]

Конструкция получила от коллег соответствующее рабочее название – «модель Хоравы-Виттена». Главной же её особенностью, позволившей объединить в целое совершенно разные, как прежде казалось, струнные теории, стал, можно сказать, «принцип раздвоения». То есть в основу модели ХВ были заложены две параллельные многомерные мембраны – как «края мира», разделенные еще одним, одиннадцатым измерением и взаимодействующие друг с другом лишь гравитационно.

Поначалу соседние миры-браны мыслились авторами как 10-мерные, однако вскоре при активном участии научного сообщества были обнаружены многочисленные вариации модели, демонстрирующие возможности и для пространств разных других, меньших размерностей. В целом же М-теория и модель Хоравы-Виттена породили столь мощный поток новых исследований и открытий, что данный рубеж получил в итоге название «вторая струнная революция».

Особенно же примечательным стало то, что интереснейшие результаты на основе двухбранной модели стали быстро появляться и множиться далеко не только лишь в области теории струн.

#

Здесь, конечно же, совершенно незачем собирать и перечислять все из тех разнообразных приложений и направлений развития, что обнаружились для модели Хоравы-Виттена. Однако несколько разработок из этого ряда упомянуть следует непременно. По той хотя бы причине, что чуть далее (уже за рамками саги КИНГЗ) все они окажутся очень полезны для убедительного завершения расследования. То есть не только для освоения ключевой идеи «Время как Разум», но и для понимания, что иначе быть просто не может…

Одним из особо ярких примеров полезности как бы новой двухбранной концепции стала так называемая «модель RS», получившая название в честь своих авторов, Лизы Рэндалл и Рамана Сундрума. Работавших, надо подчеркнуть, вовсе не над теорией струн. Но благодаря двум 4-мерным бранам, разделенным пятым измерением, сумевшим найти красивый подход к решению одной из труднейших задач современной физики под названием «проблема иерархии масс». [rs]

Переводя математику этой конструкции на более доступный общечеловеческий язык, можно сказать, что Рэндалл и Сундрум продемонстрировали здесь не только особую роль «раздвоения», но еще и «уменьшения симметрии» (то есть равную важность каждого из «секретных принципов» Паули в основах новой физики). Крайне загадочное для науки огромное различие в силе электромагнитных взаимодействий и гравитации объясняется просто и естественно, если увидеть, что электромагнетизм действует на одной бране, а гравитация вызвана действием второй браны, где материя сконцентрирована существенно иначе, намного более плотно. А в целом же данная конфигурация отчетливо напоминает геометрическое устройство черной дыры…

Существенно в ином направлении пошло развитие модели Хоравы-Виттена у другой команды исследователей, Пола Стейнхардта и Нила Турока. Эти ученые независимо друг от друга занимались проблемами космологии, но когда на одной из лекций в 1999 году услышали об удивительных вещах, открываемых на основе пары бран, то их синхронно посетила одна и та же мысль: «А что, если две браны мира не разделены постоянно, а периодически сходятся-расходятся?».

Дабы прояснить столь интересный вопрос у докладчика, оба физика после лекции подошли к нему с разных концов зала – и положили этим начало весьма маcштабной совместной работе, растянувшейся почти на десятилетие. Общим итогом их большого сотрудничества стала «экпиротическая модель» космологии – где вселенная вовсе не начинается от Большого Взрыва, а эволюционирует через нескончаемые циклы расширений и сжатий. [st]

Если говорить о динамике взаимодействий между бранами, то наиболее богатый комплекс информации по этой теме получен, естественно, в теории струн. Причем на один из первых интереснейших результатов удалось выйти уже в начале 1997 года – в совместном исследовании Шамита Качру и Евы Силверстейн. Статья [ks] этих авторов продемонстрировала, что пространства соседних бран на самом деле могут быть очень тесно связаны друг с другом – через перескоки или «фазовые переходы» частиц с одной мембраны на другую.

Поясняя чуть подробнее, в условиях двухбранной модели Хоравы-Виттена авторы продемонстрировали, что такого рода переходы геометрически происходят через весьма специфическое состояние системы – нетривиальную «точку сжатия нулевого размера» – где понятие пространства-времени по сути исчезает. Каждое такое сжатие сопровождается испусканием фрагмента частицы куда-то в балк (то есть с отрывом от мембраны), а после прохождения этой фазы киральность частицы – или иначе направление ее собственного вращения – изменяет значение на противоположное…

Спустя несколько лет на основе этого результата удалось математически реконструировать еще более любопытную – и озадачивающую – картину выявленной динамики. Команда из теперь уже пяти теоретиков (A. Adams, X. Liu, J. McGreevy, A. Saltman и та же E. Silverstein) при анализе частицы в виде вихревой трубки, соединяющей браны в процессе их схождения-расхождения, выявила отчетливые признаки радикальных перемен, происходящих при этом с топологией пространства. [as]

В стандартной физике, надо подчеркнуть, топологические свойства принято считать самой устойчивой и неизменной характеристикой системы. Здесь же, напротив, исследователи обнаружили не только частицу-тахион, отрывающуюся с одного конца трубки и покидающую сдвоенную мембрану, но попутно – на другом конце трубки – еще и испускание в тело мембраны другой необычной частицы. Имеющей спин 2, что свойственно гравитону, но при этом как бы раздвоенной на половины из-за «продольно разделенной моды». Самое же удивительное происходит здесь дальше: после испускания этих частиц исходная трубка-перемычка в топологии системы исчезает, так что когда браны после схождения вновь расходятся, то причинно-следственные связи между половинами мембраны выглядят разорванными …

Как понимать столь озадачивающий результат и каким образом причинно-следственная взаимосвязанность вещей и событий во вселенной восстанавливается тут же обратно – в процессе постоянных перескоков частиц с браны на брану – для таких сложных вопросов у теоретиков ответов не нашлось. А потому явно интересную конструкцию просто отложили до лучших времен.

На параллельных направлениях исследований, однако, уже давно имеются свои важные результаты, вполне способные помочь и с проблемой сохранения каузальных взаимосвязей. Среди такого рода иных результатов вокруг модели ХВ особого упоминания заслуживает конструкция, впервые описанная в 2000 году коллективом авторов (Yaron Oz, Tony Pantev, Daniel Waldram) из CERN и Пенсильванского университета. [op]

Данная работа теоретиков особо интересна для следствия не только по той причине, что демонстрирует общий механизм для обеспечения стабильности в условиях двухбранной конструкции вселенной. Но еще и потому, что именно об этой модели идет речь в главе (37) путеводителя «Там за облаками». А на эту главу – ТЗО(37) – отчетливо нам указал, можно напомнить, мистический «числовой ключ» в конце прошлого эпизода расследования. Иначе говоря, к этой информации определенно есть смысл отнестись с повышенным вниманием. Ибо примерно так вот обычно и выявляются важные, но «нелогичные» зацепки и взаимосвязи.

Модель Оза, Пантева и Уолдрема должна быть выделена совершенно особо, потому что в качестве очень важного компонента системы здесь парадоксальным образом выступают тахионы. То есть неуловимо сверхбыстрые гипотетические частицы, одно лишь присутствие которых в системе прежде всегда считалось сигналом о нестабильности – а значит и нежизнеспособности – конструируемой модели. Однако в данной работе, представившей динамическую систему типа брана-антибрана в виде специфической конструкции-триплета вида (E1, E2, T), именно тахионы оказываются главным залогом стабильности.

Иначе говоря, для двух математических пространств на соседних бранах, E1 и E2, окружающая их тахионная материя T выступает в качестве отображения, соотносящего друг с другом элементы двух пространств. И тогда, если отображение выбрано правильно, удается показать, что описание всей этой конструкции можно преобразовать к набору уравнений, описывающих гидродинамику вихревой системы. В переводе же данной физики-математики на более доходчивый язык это и является важным свидетельством о стабильности найденной триплет-конструкции в целом.

Далее, конечно же, было бы очень интересно разобраться, каким образом тахионная материя, структурированная в виде супержидкого кристалла, обеспечивает целостность причинно-следственных связей на поверхностях двухбранного мира. Однако такого рода исследований почему-то до сих пор не появилось, судя по всему. Но зато в 2001 году у Хуана Малдасены, наиболее знаменитого в качестве «отца AdS/CFT», появилась еще одна революционной значимости работа [jm], подлинный масштаб которой научное сообщество, увы, так и не оценило вплоть до сегодняшней поры.

Случилось так, что в первый год третьего тысячелетия к Малдасене пришло великое озарение – каким образом в природе устроена взаимосвязь между раздвоенной геометрией пространства-времени и квантовой сцепленностью частиц, то есть самым загадочным из феноменов физики микромира. В тот период ученый продолжал заниматься исследованием дуальностей-соответствий между мирами AdS и CFT, так что и вдохновляющее новое открытие пришло тоже оттуда.

Изучая гравитационную физику черных дыр в мире AdS, Малдасена соединил два таких объекта трубкой-перемычкой или «мостом Эйнштейна-Розена», а когда преобразовал эти уравнения к виду физики в мире-оболочке CFT, то оказалось, что это описание квантовой сцепленности для независимых прежде объектов… Уже само по себе это было очень интересное открытие, однако за ним тут же последовали и замечательные прозрения относительно общей геометрической структуры и эволюции такого рода вселенной.

В частности, как вариант единого мира, разделенного на две неразрывные половины и сцепленного перемычками черных дыр, Малдасена рассмотрел известную в топологии конфигурацию типа «бутылки Клейна» – когда две ленты Мёбиуса склеены в одностороннюю поверхность, не имеющую краев. Столь же интересной оказалась тут и циклическая эволюции вселенной на основе гигантской – космологических масштабов – сдвоенной черной дыры. Где все объекты и частицы мира в едином общем танце сначала устремлены в одну – «черную» – горловину вселенной, а затем – в несколько изменившемся состоянии – появляются из другой горловины, «белой дыры», для запуска нового цикла эволюции с иными начальными условиями…

#

Первичная публикация этой замечательной работы Хуана Малдасены, пора отметить, пришлась на лето 2001 года. То есть всего за несколько недель до трагических событий 9/11. Почему дальше все пошло совсем не так, как надо, не только в делах политических, но и в жизни мировой науки – это вряд ли кто сумеет объяснить рациональными аргументами. Но факты истории таковы, тем не менее, что интерес сообщества физиков к двухбранной модели Хоравы-Виттена начиная с этого момента стал стремительно угасать, упав довольно скоро практически до нуля.

Убедительно это продемонстрировать через анализ многих и многих тысяч научных публикаций на сайте препринтов Arxiv.org – такой путь, возможно, был бы самым прямым и надежным. Но слишком уж он хлопотный и трудозатратный. (Общую хронологическую динамику, впрочем, легко проследить по упоминанию Horava AND Witten в заголовках.) Однако имеются и другие пути – куда более простые, наглядные и ничуть не менее убедительные.

Один из них, в частности, – это аккуратный анализ публикаций во всеобщей энциклопедии Википедия. Которая, конечно же, не является исчерпывающим источником научных знаний (и никогда на это не претендовала). Однако в силу самой своей демократичной природы народная энциклопедия является вполне адекватным зеркалом, отражающим человечеству устоявшиеся взгляды его массового сознания и широкий круг актуальных интересов.

По случайному совпадению события истории сложились так, что практически синхронно с терактами 9/11, а точнее 20 сентября 2001 года, совсем новый по тем временам интернет-проект под названием Wikipedia был удостоен первого о нем рассказа в большой прессе – статьи в газете «Нью-Йорк Таймс». Вообще-то данная затея был запущена еще в начале 2001 года, однако лишь вместе с этой осенней публикацией реально обозначился живой интерес общественности и по нарастающей пошла раскрутка популярности Википедии.

Поскольку же наряду со стабильным подъемом народной энциклопедии интерес научного сообщества к модели Хоравы Виттена, напротив, стал очень заметно снижаться, то вот какое любопытное отражение два этих процесса получили в Википедии.

В течение самых первых лет, когда шло начальное наполнении базы материалов, никакой вики-статьи об интересующем нас предмете не было вообще. Что для новой научной идеи вполне естественно. Первая «статья» на данную тему – которую и статьей-то назвать нельзя – появилась в 2004 году, когда общее число англоязычных публикаций Википедии приблизилось к полумиллиону.

Причем надо отметить, что с самого начала вики-статья о модели ХВ получила не то чтобы неверное, но скорее неадекватное название «доменная стенка Хоравы-Виттена». Ни авторы модели, ни другие из упомянутых исследователей термин domain wall применительно к данной конструкции не употребляли. Но это еще пол-беды. Самая большая проблема этой коротенькой заметки в том, что из трех-четырех строчек её содержания вообще нельзя понять, о чем тут идет речь, потому что полностью отсутствует принципиально важная особенность модели – двухбранная структура в основе конструкции.

Далее из года 2004 перенесемся в день сегодняшний. Спустя 12 лет в одном лишь англоязычном разделе Википедии ныне насчитывается свыше 5 миллионов статей, а количество участников-редакторов, занимающихся наполнением энциклопедии, превышает 20 миллионов человек. Однако статья о Модели Хоравы-Виттена так и остается практически в том же самом виде заброшенной заготовки. То есть по-прежнему лишь несколько мутных строчек без каких-либо ссылок на первоисточники и без описания сути конструкции, но под тем же дезориентирующим названием «Hořava–Witten domain wall».

Ну а самое показательное (если верить движку системы, автоматически формирующему перекрестные ссылки), что содержательной статьи про «Модель Хоравы-Виттена» нет вообще ни в одном из языковых разделов Википедии – а их ныне уже почти две сотни, с суммарным числом статей, исчисляемым десятками миллионов…

#

Столь примечательный факт, выявленный в новейшей истории нашей науки, весьма желательно не только выделить особо, но и повторить еще раз – для пущей наглядности и всеобщего осмысления.

В области теории суперструн, которая на протяжении последних десятилетий не без оснований претендует на роль главной теории физиков, нащупан лишь единственный путь к объединению пяти равно представляющихся верными, но при этом не стыкующихся друг с другом теоретических конструкций. И называется этот путь М-теория Виттена.

А в этой М-теории, в свою очередь, науке известна только лишь одна конкретная физико-математическая конструкция, которая позволяет осуществлять столь нужное теоретикам объединение разных подходов для целостного и непротиворечивого описания. Эта геометрическая конфигурация имеет двухбранную структуру и носит название Модель Хоравы-Виттена.

Иначе говоря, двухбранная Модель ХВ занимает в новейшей физической науке совершенно уникальное место – как вполне конкретная и в целом привлекательная многомерная конструкция, имеющая в основе не только стабильную физику, но и очень хорошие перспективы для объединения множества других разнообразных теорий.

Причем все эти факты многим специалистам-ученым отлично известны. Вот только открыто признавать и декларировать данную ситуацию в явном виде научное сообщество почему-то старательно избегает. А если люди со стороны, хоть что-то на данный счет прослышавшие, захотят вдруг поинтересоваться, что же это за штука такая – Модель ХВ – и заглянут в Википедию, то не узнают практически ничего. Потому что статьи такой в Википедии нет. А то что есть – под другим названием – просто вводит людей в заблуждение. То есть про текст нельзя сказать, что его содержание чистое вранье, но по сути дела это является дезинформацией…

Такая вот загадочная и труднообъяснимая история здесь у ученых приключилась.