Не катастрофа, но конец большого цикла

В 2012 году имели место три, как минимум, примечательных и важных для этой истории события.

В тот год исследователи-экспериментаторы, работающие с Большим Адронным Коллайдером в CERN под Женевой, объявили о долгожданном обнаружении бозона Хиггса. То есть частицы, предсказанной примерно за полвека до этого, а теперь как бы явившей себя, наконец, заждавшимся ученым и увенчавшей их Стандартную Модель для устройства микромира.

Но случилось так, что данный успех стал не только первым, но и последним великим достижением БАК. Несмотря на дальнейшие титанические усилия, ученые так и не смогли подтвердить больше ничего из тех своих предсказаний, которые делались для развития теории за пределы Стандартной Модели. А это результаты огромной работы теоретиков на протяжении как минимум 40 последних лет. Абсолютно всё, фактически, что было рассчитано и предсказано, оказалось неверно…

Многие склонны расценивать произошедшее как полную катастрофу. Хотя событие второе, с другой стороны, напомнило и показало, что дела в науке – как и во всех прочих делах нашей жизни – не происходят линейно, то есть просто вверх или вниз. А скорее напоминают движение по спирали – как оно предписано циклами космоса.

Те люди, что тяготеют не к научному, а к религиозно-эсхатологическому мировосприятию, почему-то одержимы идеями о скоро грядущем конце света. Одержимость эта отчетливо обостряется при подходах к круглым датам календаря, вроде вступления христианского летоисчисления в новый миллениум. И поскольку конца света, ясное дело, так и не случилось, и даже компьютерная проблема Y2K не принесла никаких катастроф (как ни стращали обывателей), то далее все внимание сосредоточилось на годе 2012 – отмечавшем «конец эпохи» по древнему календарю майя.

Когда и здесь ничего особо приметного не произошло, то всем, кто ожидал великих потрясений, уже поневоле пришлось повнимательнее разобраться с экзотической структурой календаря майя и убедиться в том, на чем люди рациональные настаивали всегда. Что календарь этот вовсе не сулит «конца света», а просто трактует декабрь 2012 как завершение одного большого комплекса вложенных друг в друга циклов времени – и, соответственно, начало следующего «цикла длинного счета».

В чем суть этого начала, подробности неведомы, однако просветленные мистики уверены, что для человечества наступающая новая эра может стать воистину замечательной. Вот только сдвиги эти – к большим и добрым переменам – поначалу происходят как-то совсем уж незаметно.

В хрониках новейшей истории, впрочем, именно в 2012 имело место одно неординарное – и в нашем списке третье – событие, в котором таки можно усмотреть нечто весьма знаменательное именно в духе «смены эпох». Особенно в контексте фундаментальной науки и грядущих больших перемен в теоретической физике.

Почему-то именно в 2012 году российский ИТ-миллиардер Юрий Мильнер (сам в прошлом физик-теоретик) учредил и начал регулярно награждать ученых довольно необычной премией, под названием Приз Фундаментальной физики. Необычность приза была даже не в том, что его денежный эквивалент – 3 миллиона долларов – в три раза превышал размер Нобелевской премии, а в самих принципах, на основе которых награда вручалась.

Если Нобелевская премия по изначально принятой традиции присуждается лишь тем физикам, чьи открытия уже доказали свою прикладную важность или по меньшей мере надежно подтверждены экспериментами, то для получения приза Мильнера ничего такого не требуется. Рассматривая прогресс фундаментальной науки как самодостаточную ценность, учредитель решил, что будет правильным стимулировать и тех ученых, которые просто добились бесспорно выдающихся теоретических результатов, общепризнанных в сообществе коллег. А уж насколько сложно или вообще невозможно подтвердить их теории экспериментами, не говоря уже о пользе в практических приложениях – то здесь это дело десятое. А может и двадцатое.

Правильным было это решение Мильнера или же нет – посторонним судить дело зряшное. Потому что богатый человек тратит не чьи-то еще, а свои лично заработанные деньги, причем тратит не на очередные яхты и дворцы, а на стимулирование фундаментальных научных исследований. И конечно же, очень важно, что премии вручаются безусловно талантливым и очень авторитетным ученым – которым Нобелевская премия пока очевидно не светит. Просто в силу специфики той научной специализации, которой они посвятили свою жизнь…

Среди первых лауреатов мильнеровской премии предсказуемо оказалось немало знаменитых струнных теоретиков – таких как Эдвард Виттен, Хуан Малдасена и Джо Полчински. То есть светил, своими достижениями уже давно обеспечивших себе звездный статус в науке, однако занимающихся теорией струн – весьма специфической областью исследований, которую давно начали именовать физикой будущего и главным претендентом на роль «теории всего». Однако никто понятия не имеет, как эту мощную и красивую математику привязать к нашей реальности и научить её делать предсказания, проверяемые экспериментами.

Помимо множества струнных физиков, в том же 2012 году премией Мильнера был также награжден Алексей Китаев – за свою революционную концепцию топологических квантовых вычислений. Хотя топологический квантовый компьютер по рецепту Китаева никто построить еще не сумел, собственно теория выглядит в высшей степени изящно и убедительно. Да и прогресс технологий, необходимых для квантового компьютинга, тоже ни у кого сомнений не вызывает.

Но самое замечательное здесь в том, что еще три года спустя, в 2015, Алексей Китаев на основе своих оригинальных прикладных идей сумел сконструировать настолько интересную «простую модель квантовой голографии» для устройства вселенной, что за ее разработку тут же ухватились все из перечисленных звезд струнной теории. А также многие другие теоретики из весьма разных областей. В первую очередь по той причине, что в данной модели отчетливо обозначился мост, соединяющий абстрактные умопостроения высоких теорий и совершенно конкретную физику нашей реальности.

И чтобы лучше понять, как это всё вдруг произошло, надо принять в учет целый набор важных разработок, который у всех перечисленных ученых уже давно имелся в загашнике, однако до поры был как бы «припрятан». В буквальном смысле их никто не прятал, конечно, всё было опубликовано. Однако научное сообщество почему-то эти работы проигнорировало, а сами их авторы отнюдь не настаивали на важности результатов. Отчего результаты «спрятались» как бы сами – до лучших времен.

У каждого есть кое-что припрятанное…

В 1968 году у группы The Beatles вышел единственный двойной диск студийных записей, из-за специфической обложки, лишенной каких-либо картинок и фотографий, вошедший в историю под названием «Белый альбом». Одна из наиболее знаменитых песен альбома – «Революция» – тоже была поделена на две части, которые на итоговом продукте оказались разнесенными в разные места под названиями «Revolution 1» и «Revolution 9».

Некоторым замысловатым образом эти раздвоенно-революционные особенности в представлении цельного прежде объекта имеют прямое отношение к модели SYK и к новейшим открытиям науки о дуальном устройстве вселенной. Но до этих вещей рассказ дойдет своим чередом, а нас на Белом альбоме Beatles сейчас особо интересует еще одна песня Джона Леннона, получившая название, самое длинное в истории творчества этой группы: «У всех есть чего прятать – кроме меня и моей обезьянки».

Собственно песня — в общем-то так себе, не шедевр. Да и что именно имел там в виду автор – мнения сильно различаются. Главное же, что ключевая идея опуса оказывается здесь более чем подходящей. А кроме того, аккурат в процессе рождения этого произведения – между записью треков в июне и окончательным их сведением в октябре – в сентябре 1968 года появился на свет еще и один из главных героев нынешней научной революции, Хуан Мартин Малдасена…

#

В историю теоретической физики Хуан Малдасена вошел в самом конце XX века – в 1997 году, вместе с публикацией своей знаменитейшей работы об AdS/CFT-соответствии. Рассказать содержательно и вкратце о сути этого неожиданного открытия вряд ли возможно, но здесь это и не требуется. Достаточно отметить, что благодаря прозрению Малдасены наука получила два существенно разных описания для физики одной и той же системы – одно описание на языке гравитации, другое на языке квантовой теории.

Объединить без противоречий две этих главных теории у ученых не получается по сию пору, однако благодаря AdS/CFT стало ясно, по крайней мере, что это наверняка возможно. Потому что изучаются разные способы представления единой физики.

Один из мудрейших теоретиков – Эдвард Виттен (на результаты которого опирался и Малдасена) – тут же подметил, что поскольку размерность пространства AdS на одну единицу больше, чем размерность пространства CFT, то дуализм AdS/CFT – это суть голографического взгляда на мир. По той же схеме в голографии плоская 2D-пластина с записью голограммы кодирует в себе всю информацию об объемном 3D-изображении, которое она воспроизводит.

Но самое интересное, что примерно в тот же период Малдасена подготовил еще одну важную работу – «О вечных черных дырах» [jm], которая в присущем ему новаторском стиле и на основе AdS/CFT решала известный информационный парадокс Хокинга для черных дыр. А кроме того, здесь же был дан и существенно иной сценарий для эволюции вселенной – где нет никакого Большого Взрыва, а есть нескончаемые циклы взаимопревращений для сцепленной пары гигантских черных дыр космологического масштаба.

Из одной такой дыры – именуемой «Белой» – энергия-материя мира появляется и эволюционно развивается, как оболочка-перегородка постепенно смещаясь к дыре «Черной». Куда в конце цикла все, что во вселенной появилось, благополучно и поглощается – для начала нового большого цикла осцилляций или нескончаемой «космической игры»…

Почему так произошло, никто вам не объяснит, но эту работу Малдасены научное сообщество по сути проигнорировало, а всерьез интересоваться и развивать её результаты коллеги-ученые начали лишь дюжину лет спустя, уже в 2010-е.

#

Эдвард Виттен – как супер-звезда не только на небосклоне струнной теории, но и всей новейшей математической физики вообще – знаменит великим множеством достижений, существенно продвинувших не только физику, но и абстрактную чистую математику. Самым же значительным успехом Виттена принято считать M-теорию, благодаря которой в середине 1990-х удалось дать единое описание сразу для пяти разных версий теории струн. Все они в равной степени выглядели верными и непротиворечивыми, однако при этом категорически не стыковались друг с другом.

Ученых-теоретиков, занятых поисками единого самосогласованного описания, такая ситуация сильно смущала, ясное дело. Поэтому исследователей охватило безмерное счастье, когда явился мудрейший Виттен и продемонстрировал, что все пять нестыкующихся теорий – это разные предельные случаи одной-единственной (пока весьма загадочной) теоретической конструкции, которую автор назвал М-теория.

Но хотя собственно М-теорию сообщество приняло с великим энтузиазмом, один чрезвычайно важный геометрический компонент, лежащий в основе построений Виттена, все почему-то постарались поскорее забыть и сегодня практически не вспоминают. Компонент этот называется модель Хоравы-Виттена, а принципиально важная суть его заключается в том, что пространство мира должно быть представлено в раздвоенном виде – как две параллельные браны. [hw]

Именно при таком представлении трубки-перемычки между бранами пары в разных проекциях выглядят как струны, то есть базовый элемент всей струнной теории. Замкнутая струна (обычно трактуемая как частица-фермион) в данной картине представляет собой «поперечный срез» перемычки. А струна открытая, с концами, прикрепленными к бране (и трактуемая как бозон) – это, соответственно, «продольный срез» трубки-перемычки.

Именно через такое дуальное представление Виттену и удалось показать, что разные теории струн, описывающие вроде бы существенно различные системы, сконструированные на основе открытых или замкнутых струн, на самом деле исследуют разные проекции одной и той же конструкции.

Слева: схема Хоравы-Виттена для дуальности открытых и замкнутых струн. Справа: мост Эйнштейна-Розена.

Крайне сомнительно, чтобы этого желали сами авторы, но по каким-то неназываемым причинам модель Хоравы-Виттена довольно быстро после её открытия переместилась в разряд «спрятанных сокровищ» теоретической физики – где и пребывает толком неосвоенной по сию пору. По этой же причине, вероятно, никто упорно не замечает, что базовая геометрия в основе М-теории выглядит один-в-один как «мост Эйнштейна-Розена». То есть конструкция, сначала открытая еще в 1916 году Карлом Шварцшильдом как простое и красивое решение эйнштейновых уравнений гравитации, а затем в 1935 – уже самим Эйнштейном, – обнаруженная еще и в качестве частицы-решения для уравнений электромагнетизма Максвелла…

#

Все, кто мало-мальски знакомы с историей теоретической физики за последние полвека, наверняка должны быть в курсе, что «вторая струнная революция» произошла в середине 1990-х благодаря появлению М-теории от Эда Виттена. А возможным это стало в первую очередь благодаря математическому инструментарию D-бран, введенных в струнную теорию Джозефом Полчински.

Как один из «отцов струнной революции», как автор концепции бран, обобщивших идею струны до произвольного количества измерений, а также и как автор известнейшего учебника по теории струн, Джо Полчински давно вошел в ареопаг нынешних богов теоретической физики. Но при этом очень мало кто знает, что по сути одновременно с изобретением бран этот же ученый (в соавторстве с Ларусом Торлациусом) открыл еще одну физико-математическую драгоценность – под названием «тахионный кристалл». [pt]

По какой причине опять-таки неясно, но факты таковы, что с момента открытия этого любопытнейшего феномена в 1994, в архиве препринтов не появилось больше НИ ОДНОЙ статьи, где данная вещь исследовалась бы с позиций теории струн. К концу 2000-х была, правда, попытка оживить интерес к теме из существенно другой области квантовой хромодинамики. Однако и там – несмотря на интереснейшие результаты и отчетливую их созвучность со струнными изысканиями – эту тему опять почему-то «спрятали и закопали».

Но как бы драгоценность ни прятали, суть тахионного кристалла все равно известна и заключается вот в чем. Исследуя упрощенную – или «игрушечную» – модель для физики мира, живущего на бране и сдвигающегося с ней по оси времени, исследователи обнаружили любопытный эффект. Оказалось, что вслед за браной отслаиваются другие браны-слои, состоящие из частиц-тахионов и формирующие своего рода «снимки», фиксирующие состояние материи на основной бране в конкретные моменты времени.

Эти слои образуют регулярную многослойную конструкцию типа ламината или «тахионный кристалл», как его назвали первооткрыватели. Самое же интересное, пожалуй, тут вот что. Анализируя физику этого кристалла удается показать, что она в точности – дуально – воспроизводит физику основной браны. Хотя и на основе частиц существенно другой природы…

#

И наконец, для завершения темы «спрятанных» открытий из 1990-х, осталось рассказать о модели Сачдева-Йе. Хронологически появившейся почти одновременно с тахионным кристаллом, но только в области исследований, чрезвычайно далекой от теории струн и носящей название физика конденсированного состояния вещества. [sy]

Субир Сачдев и Джинву Йе специализируются на феноменах материи в её сильно охлажденном состоянии – типа сверхпроводимости и сверхтекучести. В 1993 году, изучая новую и весьма экзотическую по тем временам топологическую фазу вещества, так называемую «квантово-спиновую 2D-жидкость», эти теоретики придумали и опубликовали свою математическую модель для описания и анализа подобных систем. Общий вид уравнений давал сильные основания предполагать, что решение тут в принципе найти можно, вот только сами исследователи отыскать его не сумели. А потому отложили работу до лучших времен…

#

Ныне есть все основания говорить, что лучшие времена настали в 2015 году – когда Алексей Китаев обратился к «припрятанной» модели Сачдева-Йе и на её основе создал модель собственную. Причем сделано это было уже не просто для анализа материи в топологической фазе квантовой жидкости. Новая конструкция задумана куда более фундаментально – для моделирования квантовой голографии, на основе AdS/CFT объединяющей гравитацию и квантовую теорию поля.

Несмотря на куда более масштабные цели, модель Китаева конструктивно является более простой. А самое главное, что автор не только упростил конструкцию, но и продемонстрировал, как выглядит её точное решение.

Новейшая разработка Китаева оказалась настолько удачной, что все перечисленные здесь светила-теоретики – Полчински и Малдасена, Виттен и Сачдев – с огромным интересом ринулись изучать модель и публиковать свои варианты её развития. С подачи Джо Полчински, в содружестве с Владимиром Розенхаусом опубликовавшего первую и сразу большущую статью в развитие идей Китаева, модель закрепилась в науке под названием SYK – по первым буквам в фамилиях соавторов. [pr]

Самое же любопытное здесь то, что именно в SYK ныне стали находить свои места – словно это было приготовлено заранее – все ранее припрятанные открытия из 1990-х. Причем здесь они обнаруживаются уже не разрозненно, а во взаимно-согласованных дополнениях – как существенно важные элементы единой конструкции.