Теория струн и развенчание мифа

 

Перейдём к теории струн. Красива она, как утверждают её сторонники, или уродлива, как считают критики? Прежде чем обсуждать эстетическую сторону теории струн, позвольте вкратце рассказать, зачем она вообще нам понадобилась. Если, как я уже говорил, Стандартная модель описывает все известные явления, зачем теоретикам понадобилось лезть дальше в математические дебри? Должен признаться, что на самом деле Стандартная модель описывает не все известные явления. В частности, она не описывает гравитацию. Гравитация является самой привычной нам силой, с ней мы сталкиваемся ежедневно, и, вероятно, гравитация также является самой фундаментальной силой во Вселенной. И вот представьте: для гравитации не нашлось места в Стандартной модели. Гравитон (квант гравитационного поля) не включён в список частиц Стандартной модели. Чёрным дырам – возможно, самым интересным объектам во Вселенной – не нашлось места в теории. И хотя классическая теория гравитации Эйнштейна является самой красивой из всех теорий, пока не видно способа втиснуть её в квантовый мир.

В большинстве случаев гравитация не играет никакой роли в физике элементарных частиц. Как мы увидим далее, гравитационное взаимодействие между двумя кварками на много порядков слабее всех других фундаментальных сил природы. Гравитация слишком слаба, чтобы играть сколько-нибудь заметную роль в экспериментах с элементарными частицами в обозримом будущем. Именно поэтому физики, изучающие элементарные частицы, традиционно игнорируют гравитационные эффекты.

Но существуют две причины стремиться к более глубокому пониманию связи между гравитацией и микроскопическим квантовым миром. Первая причина связана со строением элементарных частиц. Хотя гравитационное взаимодействие между электронами в атомах или между кварками в протонах пренебрежимо мало, оно может стать существенным на более малых расстояниях. Все силы растут с уменьшением расстояния, но гравитация растёт быстрее других. На планковских расстояниях гравитационное взаимодействие становится не только сильнее электромагнитного, но даже сильнее взаимодействия между кварками. Если парадигма «матрёшки» (все вещи состоят из ещё более мелких вещей) справедлива для любых расстояний, то вполне может оказаться, что обычные элементарные частицы состоят из ещё более мелких частиц, связанных вместе силой гравитации.

Вторая причина глубже понять связь между гравитацией и квантовой теорией имеет отношение к космологии. В следующей главе мы увидим, как гравитация управляет расширением Вселенной. Когда Вселенная была молодой и расширялась с умопомрачительной скоростью, гравитация и квантовая механика вносили в этот процесс сравнимые по величине вклады. Отсутствие понимания связи между этими двумя величайшими теориями подрывает наши усилия добраться в изучении Вселенной до начала Большого взрыва.

Но есть и третья причина, толкающая физиков к объединению квантовой механики и общей теории относительности, – эстетическая. Для физиков, в отличие от поэтов, величайшее преступление против эстетики – несогласованность. Несогласованность теории является вопиющим посягательством на те общефизические ценности, которыми мы дорожим, даже более вопиющим, чем уродливость теории. А на протяжении всего XX столетия гравитация и квантовая механика оставались несогласованными.

И вот пришла теория струн. Мы не станем вдаваться в детали теории струн до седьмой главы, но сейчас я должен сказать, что теория струн – это именно та теория, которая последовательно объединяет гравитацию и квантовую механику. Многие теоретики, в число которых вхожу и я, имеют сильное предчувствие, что теория струн – наша единственная надежда примирить эти два столпа современной физики. Что же в теории струн заставляет нас испытывать подобное предчувствие? Мы испробовали множество других подходов, но эти попытки терпели фиаско в самом начале. Например, была попытка построить на основе общей теории относительности квантовую теорию поля. Математики быстро обнаружили её несогласованность. Кроме того, даже если и удавалось написать осмысленные уравнения, они оставляли чувство эстетической неудовлетворённости. В каждой такой попытке гравитация оказывалась чужеродной добавкой, то есть гравитационное взаимодействие просто добавлялось в уже существующую теорию, например в квантовую электродинамику. Неудивительно, что подобные попытки терпели неудачу. Но теория струн – совершенно другая. Сосуществование квантовой механики и теории гравитации является абсолютно неизбежным условием математической согласованности. Теория струн единственная  из всех создаёт впечатление настоящей теории квантовой гравитации. Это не мелочь, учитывая, что два гиганта – Общая теория относительности и квантовая механика – были в состоянии войны друг с другом большую часть XX века. Я бы сказал, что эта неизбежность прекрасна.

Помимо тесной связи с гравитацией, теория струн на первый взгляд обеспечивает и связь с обычной физикой элементарных частиц. Хотя мы и не понимаем, как именно Стандартная модель может быть включена в теорию струн, у последней есть все элементы, входящие в современную теорию элементарных частиц. Теория струн содержит частицы – фермионы и бозоны, – которые напоминают электроны, кварки, фотоны, глюоны и т. п. Помимо гравитационной силы, она описывает и силы, похожие на электромагнитные, и даже силы, аналогичные тем, что связывают кварки в протоны и нейтроны. А главное, ни один из этих элементов не вносится в теорию извне, так сказать, вручную: как гравитация, все они являются неизбежными математическим следствиями теории.

Следует отметить, что все следствия теории струн разворачиваются математически последовательным образом. С другой стороны, теория струн является очень сложной математической теорией и несёт с собой огромное количество возможностей потерпеть фиаско. Я имею в виду возможные внутренние несогласованности. Это как огромная, очень точная машина, состоящая из тысяч деталей. Если хотя бы одна деталь не подходит к остальным идеальным образом, машина остановится. Но детали подогнаны друг к другу порой вследствие настоящих математических чудес. Теория струн – это не только физическая теория, но и очень сложная математическая конструкция, послужившая источником вдохновения для целой армии чистых математиков.

Но красива ли теория струн? Удовлетворяет ли теория струн стандартам элегантности и однозначности, накладываемым физикой? Содержит ли она мало уравнений и просты ли они? И самое главное: однозначны ли Законы Физики, к которым приводит теория струн?

Элегантность требует, чтобы количество определяющих уравнений было невелико. Пять лучше, чем десять, а одно лучше, чем пять. В этом отношении теория струн является просто воплощением элегантности. За все годы развития теории струн ещё никому не удалось написать ни одного определяющего уравнения! Их количество в настоящее время равно нулю. Мы не только не знаем, каковы фундаментальные уравнения теории струн, но даже не знаем, существуют ли они вообще. Но, в таком случае, какая же это теория, если она не имеет набора определяющих уравнений? На этот вопрос пока нет ответа.

Что касается второго вопроса – об однозначности Законов Физики, вытекающих из теории струн, – то здесь мы можем быть более определёнными. Несмотря на то что никто ещё не написал ни одного определяющего уравнения, методы теории являются очень строгими. Теория могла бы не выдержать множества математических проверок, но этого не произошло. Считается, что очень жёсткие математические ограничения приведут либо к полностью однозначной теории, либо, в крайнем случае, к теории, содержащей очень небольшое количество неоднозначностей.

В середине 1980-х годов среди струнных теоретиков царила эйфория: они считали, что напали на след, ведущий к окончательному ответу, к единой однозначной теории, способной объяснить, почему мир таков, как он есть. Верилось и в то, что глубинные и зачастую чудесные математические свойства теории гарантируют точное равенство нулю космологической постоянной.

Эпицентром событий являлся Институт перспективных исследований в Принстоне, служивший одно время домом Альберту Эйнштейну и Роберту Оппергеймеру и известный своей суперинтеллектуальной рафинированной атмосферой. А в самом центре центра эпицентра находились величайшие в мире матфизики во главе с Эдвардом Виттеном, семимильными шагами приближавшиеся к однозначному ответу. Так было когда-то.

Сегодня мы знаем, что успех, который «ждал нас за поворотом», оказался миражом. После того как мы лучше узнали теорию струн, случились три несчастья.

Несчастье номер один состояло в том, что постоянно открывающиеся новые возможности требовали постоянных математических усовершенствований, для того чтобы теория оставалась однозначной. В течение 1990-х годов количество новых вариантов описываемых теорией миров росло экспоненциально. Струнные теоретики с ужасом взирали на разворачивающийся перед ними грандиозный Ландшафт с огромным количеством долин, в которых можно было обнаружить какие угодно условия.

Несчастьем номер два стала тенденция теории порождать машины Руба Голдберга. В поиске подходящего ландшафта для Стандартной модели создавались конструкции невероятной сложности. По мере учёта всех требований в теорию приходилось добавлять всё больше и больше «движущихся частей», и теперь кажется, что ни одна из созданных моделей реальности не смогла бы получить одобрение Американского инженерного общества – в первую очередь это касается элегантности конструкции.

И наконец, последним ударом по больному месту стало то, что все потенциальные кандидаты на вакуум, подобный тому, в котором мы живём, содержали ненулевую космологическую постоянную. Надежда на какой-нибудь очередной волшебный математический фокус, гарантирующий нулевое значение космологической постоянной, начала быстро таять.

Если судить по обычным критериям однозначности и элегантности, то теория струн превратилась из красавицы в чудовище. И тем не менее чем больше я размышляю об этой печальной истории, тем больше у меня появляется оснований полагать, что теория струн всё же является тем ответом, который мы ищем.

 

Элегантна ли природа?

 

Величайшая трагедия науки – убийство красивой гипотезы уродливым фактом.

Томас Генри Хаксли

 

Теория струн не испытывает недостатка во врагах, которые скажут, что это чудовищное извращение. Среди них теоретики, занимающиеся конденсированными средами, считающие, что правильная теория – это теория, содержащая эмерджентность,  или возникновение. Физика конденсированных сред изучает свойства обычного вещества, находящегося в твёрдом, жидком или газообразном состоянии. Согласно этой школе, пространство и время возникают  из неких микроскопических объектов так же, как кристаллическая решётка или сверхтекучесть возникают из коллективного поведения большого количества атомов. В большинстве случаев эмерджентное поведение сильно зависит от поведения отдельных микроскопических деталей. С точки зрения физиков конденсированных сред, мир мог возникнуть из настолько широкого набора начальных микроскопических условий, что нет никакого смысла пытаться идентифицировать конкретную микроскопическую деталь, которая привела к его возникновению. Вместо этого, говорят они, следует попытаться понять правила и механизмы самой эмерджентности. Другими словами, следует изучать физику конденсированных сред.

Проблема в том, что у нас не существует такой конденсированной среды, которая вела бы себя подобно Вселенной, управляемой квантовой механикой и общей теорией относительности. Позже, в главе 10, мы познакомимся с голографическим принципом  и увидим, что точка зрения физиков конденсированных сред имеет право на существование. Гипотеза о том, что существует множество микроскопических отправных точек, которые могут привести к возникновению мира с гравитацией, может оказаться верной, но исходное состояние Вселенной не имеет ничего общего с обычным веществом, которое является предметом изучения физики конденсированных сред.

Ещё одним источником критики являются некоторые (конечно, не все) учёные, работающие в области высокоэнергетической экспериментальной физики, которых раздражает, что новые явления, описываемые теорией струн, слишком далеки от реального эксперимента – как будто бы теоретики в этом виноваты… Эти физики обеспокоены тем, что они не видят перспективы: смогут ли их эксперименты когда-нибудь дать ответы на вопросы, которые ставят струнные теоретики. Они считают, что теоретикам следует заниматься задачами, экспериментальная проверка которых стоит на повестке дня в ближайшем будущем. Это чрезвычайно близорукий взгляд. В нынешний век физики высоких энергий эксперименты стали настолько громоздкими и сложными, что порой постановка одного опыта может затянуться на десятилетие. Блестящие молодые физики-теоретики похожи на безумных учёных. Они рвутся в неизведанное, влекомые любопытством. И если они выходят в огромное море неизвестного, то пожелаем им семь футов под килем.

Большинство же по-настоящему хороших физиков-экспериментаторов не уделяют большого внимания тому, что думают теоретики. Они строят те экспериментальные установки, которые в состоянии построить, и ставят те эксперименты, которые в состоянии поставить. А в свою очередь большинство по-настоящему хороших теоретиков не уделяют большого внимания тому, что думают экспериментаторы. Они строят свои теории, основываясь на своей интуиции, и идут туда, куда их ведёт их интуиция. И те и другие надеются, что когда-нибудь их пути пересекутся, но о том, когда и как это произойдёт, можно только догадываться.

Наконец, есть и сторонники других теорий. По-другому и быть не может. Необходимо исследовать все возможные пути к истине, но, насколько я могу судить, ни одна из этих теорий не разработана достаточно хорошо. На текущий момент – это всё, что я могу о них сказать.

Зато чего я никогда не слышал, так это критики теории струн, обвинявшей бы её в крайней неэлегантности или существенной неоднозначности.[47] А между тем любое из этих обвинений могло быть совершенно правомерно брошено струнным теоретикам как свидетельство того, что их надежды на создание хорошей теории беспочвенны. Но, по-видимому, до последнего времени они слишком хорошо маскировали эту ахиллесову пяту своей теории. Я подозреваю, что теперь, когда она стала достоянием широкой научной общественности, в том числе и благодаря моим собственным лекциям и сочинениям, зануды в кулуарах начнут, ухмыляясь, заявлять во всеуслышание: «Ага! Мы давно это знали! Теория струн мертва».

Моё собственное предположение состоит в том, что неэлегантность и неоднозначность теории в конечном итоге следует рассматривать как её сильные стороны. Честный и непредвзятый взгляд на реальный мир не предполагает математического минимализма. Вот список масс элементарных частиц, входящих в Стандартную модель, выраженных в массах электрона. Все значения приблизительные.

 

 

Мы не видим никакой очевидной закономерности кроме той, что массы увеличиваются по мере того, как мы спускаемся вниз по списку.

Числа не выглядят связанными ни с какими математическими константами типа π  или квадратного корня из двух. Единственная наблюдаемая закономерность возникает исключительно из-за того, что я намеренно отсортировал частицы в порядке возрастания масс.

Эта дюжина с небольшим чисел является лишь верхушкой айсберга. Мы знаем со всей определённостью, что Стандартная модель включает ещё как минимум 20 дополнительных независимых констант, отвечающих за разнообразные взаимодействия, что противоречит утверждению о простоте модели. И даже этот список далеко не исчерпывающий: в мире гораздо больше частиц и констант, чем в списке Стандартной модели. Теория гравитация и космология добавляют нам ещё ряд констант типа масс частиц, из которых состоит тёмная материя.[48] По мнению физиков, особенно тех, кто ожидает открытия суперсимметрии, общее число фундаментальных констант должно превышать сотню, и никто не в состоянии придумать, как связать эти константы между собой. Весьма далёкие от эталона простоты и элегантности теоретические конструкции, время от времени создаваемые физиками для объяснения фундаментальных свойств природы, выглядят карикатурными сооружениями Руба Голдберга.

Несмотря на то что Стандартная модель является огромным шагом вперёд в объяснении свойств элементарных частиц, она не объясняет сама себя. Она довольно сложна, далеко не однозначна и, конечно же, неполна. Что же тогда особенного в нашей любимой Стандартной модели? Абсолютно ничего. Правда, есть одна особенность, отличающая Стандартную модель от 10500 других возможных моделей: она допускает, а может быть, даже поощряет существование жизни.

Космологи не настолько заражены вирусом элегантности и однозначности, как струнные теоретики, возможно, потому, что они предпочитают смотреть на природу через объективы своих телескопов, а не сквозь дебри математических уравнений. Вот венок замечательных совпадений, отмечаемых некоторыми из них.

• Вселенная – это тонко настроенный инструмент. Она расширялась с идеальной скоростью. Если бы её расширение было чересчур стремительным, то вещество рассеялось бы в огромном объёме, прежде чем получило бы шанс сформировать галактики, звёзды и планеты. С другой стороны, если бы расширение было медленным, то первоначального импульса не хватило бы для достижения Вселенной нынешних размеров и она схлопнулась бы обратно, как лопнувший воздушный шарик.

• Ранняя Вселенная была не слишком фрагментированной и не слишком однородной. Она имела нужную консистенцию, как правильно приготовленная овсянка. Если бы в начале своего существования Вселенная была более комковатой, то водород и гелий сконденсировались бы не в галактики, а в чёрные дыры. Вся материя упала бы в эти чёрные дыры и была бы похоронена под их горизонтами. С другой стороны, если бы ранняя Вселенная была слишком гладкой, в ней бы вообще не образовались неоднородности. Мир галактик, звёзд и планет не является закономерным результатом физических процессов в ранней Вселенной. Он представляет собой очень редкое и счастливое исключение.

• Гравитация достаточно сильна, чтобы удерживать нас на поверхности Земли, однако не настолько сильна, чтобы создать избыточное давление в недрах звёзд, в результате чего те сгорали бы за несколько миллионов лет, а не за миллиарды, необходимые для возникновения жизни и эволюции, приводящей к возникновению разума.

• Микроскопические Законы Физики как будто специально подобраны таким образом, чтобы допускать существование атомных ядер и атомов, из которых построены гигантские молекулы живой материи. Кроме того, эти законы настроены так, чтобы углерод, кислород и другие необходимые для построения жизни элементы могли синтезироваться в недрах первого поколения звёзд и затем в результате взрывов сверхновых выбрасываться в космическое пространство.

Основные настройки природы выглядят слишком хорошо, чтобы быть правдой. Вместо того чтобы следовать эталонам математической простоты и элегантности, законы природы подобраны в первую очередь так, чтобы обеспечивать наше собственное существование. Как я уже неоднократно говорил, физики ненавидят эту идею. Но как мы увидим позже, теория струн представляется идеальной для объяснения, почему мир устроен таким образом.

Теперь можно вернуться к сложным научным вопросам. В следующей главе я расскажу об удивительных (удивительные – это даже слабо сказано) космологических исследованиях, которые заставили физиков и космологов прийти к новой парадигме. В первую очередь я расскажу о том, что мы узнали о самой ранней истории нашей Вселенной, как она пришла к своему нынешнему нестабильному состоянию, и открою вам шокирующие факты, касающиеся 120-го десятичного знака космологической постоянной.

 

 

Глава 5. Гром с небес

 

Я поражаюсь людям, которые хотят познать Вселенную, но при этом не способны найти дорогу вокруг Чайна-тауна.

Вуди Аллен