Помоги проекту - поделись книгой:
В теории частицу гравитации следует называть гравитоном. Аналогично фотону это точечная частица, и при движении со скоростью света ее окружают волны гравитации, которые подчиняются уравнениям Эйнштейна.
Пока все хорошо. Проблема возникает, когда гравитон сталкивается с другими гравитонами, а также с атомами. Если попытаться применить все те фокусы, которые ученые с таким трудом изобретали последние семьдесят лет, выяснится, что ни один из них не работает. Величайшие умы столетия неоднократно пытались решить эту проблему, но до сих пор никто не добился успеха.
Ясно, что здесь требуется совершенно новый подход, поскольку все простые идеи уже исследованы и отброшены. Нам нужно что-то по-настоящему свежее и оригинальное. И все это ведет к самой противоречивой теории в физике – теории струн, которая как раз и может оказаться достаточно безумной, чтобы занять место теории всего.
6
Теория струн: Перспективы и проблемы
Итак, мы видим, что на рубеже XIX и XX веков в физике было два великих столпа: закон всемирного тяготения Ньютона и уравнения Максвелла для света. Эйнштейн понимал, что они конфликтуют друг с другом и одному из них суждено рухнуть. Падение Ньютоновой механики дало толчок великим научным революциям двадцатого столетия.
Не исключено, что сегодня история повторяется. В физике вновь существуют два столпа. С одной стороны, у нас есть теория очень большого – теория гравитации Эйнштейна, которая дает нам черные дыры, Большой взрыв и расширяющуюся Вселенную. С другой стороны, у нас есть теория очень маленького – квантовая теория, которая объясняет поведение элементарных частиц. Проблема в том, что эти теории противоречат друг другу. Они опираются на разные принципы, разную математику и разную философию.
Мы надеемся, что следующая великая революция объединит два этих столпа.
Все началось в 1968 г., когда два молодых физика, Габриэль Венециано и Махико Судзуки, копаясь в математических книгах, наткнулись на странную формулу, которую математик Леонард Эйлер вывел еще в XVIII веке. Эта странная формула, похоже, описывала рассеяние двух элементарных частиц! Как могла абстрактная формула из XVIII века описывать результаты, полученные на современных ускорителях? В физике так не бывает.
Позже физики, включая Йоитиро Намбу, Хольгера Нильсена и Леонарда Сасскинда, поняли, что эта формула представляет взаимодействие двух струн. Очень быстро ее удалось распространить на целую армию уравнений, представляющих рассеяние мультиструн. (Между прочим, моя докторская диссертация была посвящена расчету полного набора взаимодействий для произвольного числа струн.) Затем исследователи смогли ввести в теорию струн вращающиеся частицы.
Теория струн стала чем-то вроде нефтяной скважины, неожиданно выбросившей фонтан новых уравнений. (Лично меня это не устраивало, поскольку физика еще со времен Фарадея была представлена полями, содержавшими в сжатой форме огромное количество информации. Теория струн, напротив, представляла собой набор разрозненных уравнений. Нам с коллегой Кейдзи Киккавой[41] тогда удалось перевести всю теорию струн на язык полей, создав то, что называют струнной теорией поля. При помощи наших уравнений можно свести теорию струн в одно уравнение теории поля длиной не больше дюйма.)
Из потока уравнений начала складываться новая картина. Почему частиц так много? Подобно Пифагору более двух тысяч лет назад, теория говорила, что каждая музыкальная нота – каждое колебание струны – описывает какую-нибудь частицу. Электроны, кварки и частицы Янга – Миллса представляют собой не что иное, как разные ноты на одной и той же колеблющейся струне.
Особенно интересно в этой теории то, что в нее с необходимостью включается гравитация. Гравитон появляется в ней без каких-либо дополнительных предположений как одна из низших вибраций струны. Мало того, даже если бы Эйнштейна не существовало, его теорию гравитации можно было бы отыскать, просто поглядев на самую низкую вибрацию все той же струны.
Как сказал однажды физик Эдвард Виттен, «теория струн необычайно привлекательна, потому что гравитацию она нам просто навязывает. Все известные непротиворечивые струнные теории включают в себя гравитацию, так что если в квантовой теории поля, какой мы ее знаем, гравитация невозможна, то в струнной теории она обязательна».
Но когда теория начала развиваться, в ней стало появляться все больше и больше фантастических, совершенно неожиданных черт. Обнаружилось, например, что она может существовать только в десяти измерениях!
Это повергло физиков в настоящий шок, поскольку прежде никто ничего подобного не видел. Обычно теорию можно выразить в любой размерности, какая вам нравится. Мы просто отбрасываем все остальные варианты, потому что живем – со всей очевидностью – в трехмерном мире. (Мы можем двигаться только вперед-назад, вправо-влево и вверх-вниз. Если добавить время, то четырех измерений вполне хватит, чтобы определить местонахождение любого события во Вселенной. Если, например, мы хотим встретиться с кем-то на Манхэттене, то достаточно сказать: давай встретимся на углу 5-й авеню и 42-й улицы, на десятом этаже, в полдень. Движение в измерениях сверх этих четырех для нас невозможно, как бы мы ни старались. Мало того, наш мозг не способен даже представить зрительно, каково это – двигаться в более высоких измерениях. Поэтому исследования многомерной теории струн проводятся исключительно математически.)
Но в теории струн размерность пространства-времени имеет фиксированные десять измерений. В других размерностях теория математически рушится.
Я до сих пор помню шок, который испытали физики, когда теория струн вдруг постулировала, что мы живем в десятимерной вселенной. Большинство физиков увидели в этом доказательство ошибочности теории. Когда Джон Шварц, один из ведущих архитекторов теории струн, сталкивался в лифте Калтеха с Ричардом Фейнманом, тот частенько поддевал его, обращаясь с вопросом: «Ну, Джон, в скольких измерениях вы сегодня находитесь?»
Тем не менее с годами физики начали показывать, что все конкурирующие теории страдают фатальными недостатками. Например, многие из них можно было исключить просто потому, что в них квантовые поправки оказывались бесконечными или аномальными (то есть математически противоречивыми).
Так что со временем физики начали свыкаться с идеей, что наша Вселенная, возможно, все-таки десятимерна. Наконец в 1984 г. Джон Шварц и Майкл Грин показали, что теория струн свободна от всех тех проблем, что обрекали на неудачу прочих претендентов на роль единой теории поля.
Если теория струн верна, то вселенная, возможно, изначально была десятимерной. Но такая вселенная оказалась нестабильной, и шесть измерений из десяти каким-то образом свернулись и стали слишком маленькими, чтобы их можно было увидеть. Из этого следует, что на самом деле наша Вселенная, возможно, десятимерна, но атомы слишком велики, чтобы проникнуть в эти крохотные высшие измерения.
Несмотря на все безумие струнной теории, одна ее способность не дает ей сойти со сцены: она успешно «сочетает браком» две великие физические теории – общую теорию относительности и квантовую теорию – и, таким образом, дарует нам конечную теорию квантовой гравитации. Именно этим объясняется ажиотаж вокруг теории струн.
Как уже говорилось, добавляя к КЭД квантовые поправки или частицу Янга – Миллса, мы получаем поток расходимостей, которые необходимо устранять.
Но все это ни к чему не приводит, если мы пытаемся устроить вынужденный брак двух великих теорий природы – теории относительности и квантовой теории. Чтобы применить квантовый принцип к гравитации, мы разбиваем ее на энергетические пакеты, или кванты, называемые гравитонами. Затем мы рассчитываем столкновение гравитонов друг с другом и с частицами материи, такими как электрон. Но при этом весь набор фокусов, придуманных Фейнманом и 'тХоофтом, не дает результата. Квантовые поправки, вызванные взаимодействием гравитонов с другими гравитонами, расходятся и совершенно не поддаются устранению методами, найденными предыдущими поколениями физиков.
Вот здесь-то и происходит следующий акт волшебства. Теория струн в состоянии устранить эти проблематичные расходимости, донимавшие физиков на протяжении почти столетия. И это волшебство вновь реализуется через симметрию.
Рис. 11. При расчете столкновения двух гравитонов (
Исторически симметричность уравнений считалась положительным качеством, но рассматривалась как роскошь, в которой не было строгой необходимости. В квантовой теории симметрия становится самым важным свойством физики.
Как мы установили, при вычислении квантовых поправок к той или иной теории они нередко получаются расходящимися (то есть бесконечными) или аномальными (то есть нарушающими изначальную симметрию теории). Только в последние десятилетия физики поняли, что симметрия – это не просто приятное свойство теории, а скорее ее центральный компонент.
Как уже говорилось, Дирак обнаружил, что его уравнение для электрона предсказывает наличие у электрона спина (который представляет собой математическое свойство уравнений, напоминающее обычное вращение (по-английски spin), которое мы наблюдаем в повседневной жизни). Позже физики выяснили, что спином обладают все элементарные частицы. Но спин бывает двух типов.
В определенных квантовых единицах спин может быть либо целым (таким, как 0, 1 или 2), либо полуцелым (таким, как 1/2, 3/2). Частицы с целым спином описывают взаимодействия Вселенной. Они включают в себя фотон и частицу Янга – Миллса (со спином 1), а также частицу гравитации гравитон (со спином 2). Их называются бозонами (в честь индийского физика Шатьендраната Бозе). Так что можно сказать, что природные взаимодействия переносятся бозонами.
Далее, существуют частицы, из которых состоит материя Вселенной. Они обладают полуцелым спином, к ним относятся такие частицы, как электроны, нейтрино и кварки (со спином 1/2). Эти частицы называются фермионами (в честь Энрико Ферми), и из них можно построить остальные частицы атома – протоны и нейтроны. Так что атомы нашего тела представляют собой наборы фермионов.
Затем Бундзи Сакита и Жан-Лу Жерве продемонстрировали, что теория струн обладает новым типом симметрии, получившим название суперсимметрии. С той поры понятие суперсимметрии было расширено таким образом, что теперь это самая всеобъемлющая симметрия, которую когда-либо обнаруживали в физике. Мы уже подчеркивали, что красота для физика – это симметрия, которая позволяет нам найти связь между различными частицами. Суперсимметрия способна объединить все частицы Вселенной. Как уже говорилось, симметрия позволяет менять местами составные части объекта, сохраняя при этом первоначальный объект неизменным. В данном случае местами меняются частицы в уравнениях: фермионы встают на место бозонов и наоборот. То, что частицы всей Вселенной могут свободно меняться местами, превращаясь друг в друга, становится центральным свойством теории струн.
Это означает, что у каждой частицы есть суперпартнер, называемый с-частицей, или суперчастицей. Например, суперпартнера электрона называют сэлектроном. Суперпартнера кварка называют скварком. Суперпартнера лептона (такого, как электрон или нейтрино) называют слептоном.
Но в теории струн происходит нечто замечательное. При расчете квантовых поправок к теории струн мы имеем две составляющие. Есть квантовые поправки, исходящие от фермионов, а есть – исходящие от бозонов. Они чудесным образом одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Одно из слагаемых может быть положительным, но одновременно имеется и другое слагаемое – отрицательное. При сложении
Физикам не удавалось создать союз теории относительности и квантовой теории почти столетие, но симметрия фермионов и бозонов, называемая суперсимметрией, позволяет взаимно скомпенсировать многие бесконечности. Вскоре физики открыли и другие способы устранения бесконечностей, оставляющие конечный результат. Именно в этом кроются истоки того ажиотажа, что окружает теорию струн: она способна объединить гравитацию и квантовую теорию. Ни одна другая теория не может претендовать на то же самое. Это, возможно, позволит снять и первоначальное возражение Дирака. Он ненавидел теорию перенормировки, потому что, несмотря на ее фантастические и неоспоримые успехи, в ней предлагалось складывать и вычитать бесконечные по размеру величины. Здесь же мы видим, что теория струн конечна сама по себе, без всякой перенормировки.
Это, в свою очередь, вполне может укладываться в картину, предложенную самим Эйнштейном. Он однажды сравнил свою теорию гравитации с мрамором – она такая же гладкая, элегантная, отполированная. А материя, напротив, больше напоминает древесину. Ствол дерева коряв, хаотичен, груб и не имеет правильной геометрической структуры. Его конечной целью было создание единой теории, которая соединила бы мрамор и древесину, то есть
Теория струн может завершить эту картину. Суперсимметрия способна превращать мрамор в дерево и наоборот. Мрамор и дерево в ней – две стороны одной медали. В этой картине мрамор представлен бозонами, а дерево – фермионами. Хотя экспериментальных свидетельств в пользу существования суперсимметрии в природе у нас нет, она настолько элегантна и красива, что захватила воображение физического сообщества.
Стивен Вайнберг однажды сказал: «Хотя симметрии от нас скрыты, мы можем чувствовать, что они неявно присутствуют в природе, управляя всем вокруг. Это самая захватывающая идея из всех, какие я знаю: природа намного проще, чем она выглядит. Ничто не внушает мне большей надежды на то, что наше поколение реально держит в своих руках ключ от Вселенной, что еще при нашей жизни мы сможем сказать, почему все видимое в этой огромной Вселенной с галактиками и частицами логически неизбежно»[42].
Если обобщить сказанное, то мы теперь видим, что симметрия может быть ключом к объединению всех законов Вселенной:
● Симметрия создает порядок из хаоса. Из хаоса химических элементов и элементарных частиц периодическая система Менделеева и Стандартная модель способны создать порядок, выстроив их аккуратно и симметрично.
● Симметрия помогает заполнить пробелы. Она позволяет выделять прорехи в теориях и, таким образом, предсказывать существование новых типов элементов и элементарных частиц.
● Симметрия объединяет совершенно неожиданные и, казалось бы, никак не связанные друг с другом объекты. Она находит связи между пространством и временем, материей и энергией, электричеством и магнетизмом, фермионами и бозонами.
● Симметрия раскрывает неожиданные явления. Она предсказала существование таких новых явлений, как антивещество, спин и кварки.
● Симметрия устраняет нежелательные следствия, способные разрушить теорию. Квантовые поправки часто характеризуются катастрофическими расходимостями и аномалиями, которые можно устранить при помощи симметрии.
● Симметрия изменяет первоначальную классическую теорию. Квантовые поправки к теории струн настолько строги, что на самом деле меняют первоначальную теорию, фиксируя размерность пространства-времени.
Рис. 12. Считается, что в начале времен существовало одно-единственное супервзаимодействие, симметрия которого включала в себя все частицы Вселенной. Но ситуация была нестабильна, и симметрия начала нарушаться. Первой отделилась гравитация. Затем за ней последовали сильное и слабое ядерные взаимодействия, оставив лишь электромагнитное взаимодействие. Так что Вселенная сегодня кажется разбитой на части, а все взаимодействия сильно отличаются друг от друга. Задача физиков – заново собрать кусочки в единое взаимодействие
Теория суперструн обладает всеми необходимыми свойствами. Ее симметрия – это суперсимметрия (симметрия бозонов и фермионов). Суперсимметрия, в свою очередь, – это самая всеобъемлющая симметрия, когда-либо обнаруженная в физике и способная объединить все известные частицы Вселенной.
Нам еще предстоит сделать завершающий шаг в создании теории струн – найти ее фундаментальные физические принципы. Дело в том, что мы до сих пор не понимаем, как вывести всю теорию из одного-единственного уравнения. В 1995 г. теория струн пережила очередную метаморфозу, и родилась так называемая M-теория. Проблема первоначальной теории струн заключалась в существовании пяти вариантов квантовой теории гравитации, каждая из которых была конечна и хорошо определена. Все пять струнных теорий выглядели очень похоже, за исключением того, что спины в них были организованы немного по-разному. Возникал вопрос: почему же их пять? Ведь, по мнению большинства физиков, Вселенная должна быть уникальной.
Физик Эдвард Виттен обнаружил, что на самом деле существует скрытая одиннадцатимерная теория, получившая название M-теории, в основе которой лежат мембраны (такие, как поверхности сфер и бубликов), а не просто струны. Он объяснял существование пяти струнных теорий тем, что превратить одиннадцатимерную мембрану в десятимерную струну можно пятью способами.
Иными словами, все пять вариантов теории струн представляли собой различные математические представления одной и той же M-теории. (Так что теория струн и M-теория на самом деле одна и та же теория, за исключением того, что теория струн есть сведение одиннадцатимерной M-теории к десяти измерениям.) Но как может одна одиннадцатимерная теория породить пять десятимерных теорий?
Представьте себе надувной пляжный мяч. Если выпустить из него воздух, мяч сдуется и станет напоминать сосиску. Если удалить из него остатки воздуха, сосиска превратится в струну. Следовательно, на самом деле струна – это замаскированная мембрана, из которой выпустили воздух.
Если взять для начала одиннадцатимерный пляжный мяч, то можно математически показать, что существуют пять способов сдуть его, превратив в десятимерную струну.
Или вспомните притчу о слепцах, впервые встретивших на своем пути слона. Один из них, ощупав ухо животного, заявил, что слон плоский и двумерный, как веер. Другой, ощупав хвост, пришел к выводу, что слон подобен веревке или одномерной струне. Третий, исследовавший ногу, заключил, что слон представляет собой трехмерный барабан или цилиндр. Но на самом деле, если отойти в сторону и подняться в третье измерение, то можно увидеть слона как трехмерное животное. Точно так же пять разных струнных теорий подобны уху, хвосту и ноге, но нам еще только предстоит увидеть слона (M-теорию) целиком.
Как мы уже говорили, со временем в теории струн были открыты новые горизонты. Вскоре после того, как в 1995 г. была предложена M-теория, в 1997 г. Хуан Малдасена сделал еще одно поразительное открытие.
Он потряс физическое сообщество, показав то, что когда-то считалось невозможным: что суперсимметричная теория Янга – Миллса, описывающая поведение элементарных частиц в четырех измерениях, дуальна, то есть математически эквивалентна определенной теории струн в десяти измерениях[43]. Это вызвало в мире физики настоящий ажиотаж. К 2015 г. вышло десять тысяч статей, в которых авторы ссылались на работу Малдасены, что сделало ее самой влиятельной работой в физике высоких энергий. (Симметрия и дуальность – родственные, но разные понятия. Симметрия возникает, когда мы переставляем местами компоненты одного уравнения, а само уравнение при этом не меняется. Дуальность возникает, когда мы показываем, что две совершенно разные теории на самом деле математически эквивалентны. Замечательно, что теория струн обладает обоими этими в высшей степени нетривиальными качествами.)
Как мы видели, в уравнениях Максвелла наблюдается дуальность между электрическим и магнитным полями: уравнения остаются неизменными, если поменять местами эти два поля, превратив электрические поля в магнитные и наоборот. (Это можно увидеть математически, потому что электромагнитные уравнения часто содержат такие члены, как
Малдасена, однако, показал, что существует и другая дуальность между струнами в десяти измерениях и теорией Янга – Миллса в четырех измерениях. Такое развитие событий было совершенно неожиданным, но влекло за собой значительные последствия. Оно означало, что существуют глубокие неожиданные связи между гравитационным и ядерным взаимодействиями, определенными в совершенно разных размерностях.
Обычно дуальности обнаруживаются между струнами одинаковой размерности. Переставляя слагаемые, описывающие эти струны например, мы нередко можем заменить одну теорию струн на другую. Это создает целую паутину дуальностей между разными струнными теориями, которые определены в одинаковой размерности. Но дуальность между двумя объектами, определенными в разных размерностях, была событием неслыханным.
Это отнюдь не академический вопрос, потому что он имеет далеко идущие последствия в контексте представлений о ядерном взаимодействии. Скажем, ранее мы видели, что наилучшее описание ядерного взаимодействия дает нам калибровочная теория в четырех измерениях, представленная полем Янга – Миллса, но никому так и не удалось найти ни одного точного решения для поля Янга – Миллса. Но поскольку калибровочная теория в четырех измерениях может быть дуальна теории струн в десяти измерениях, это означает, что ключом к ядерному взаимодействию может быть теория квантовой гравитации. Это стало откровением, поскольку означало, что фундаментальные свойства ядерного взаимодействия (например, масса протона), возможно, лучше всего описываются теорией струн.
Это породило среди физиков своеобразный кризис идентичности. Те, кто работает исключительно в области ядерного взаимодействия, все свое время посвящают исследованию трехмерных объектов, таких как протоны и нейтроны, и нередко посмеиваются над физиками, которые занимаются теоретическими рассуждениями в более высоких размерностях. Но с учетом новой дуальности между теорией гравитации и калибровочной теорией они вдруг обнаружили, что пытаются разузнать все, что можно, о десятимерной теории струн, в которой, возможно, кроется ключ к пониманию ядерного взаимодействия в четырех измерениях.
Эта странная дуальность привела еще к одному неожиданному открытию, получившему название голографического принципа. Голограмма – это двумерный лист пластика, содержащий особым образом зашифрованное изображение трехмерных объектов. Если направить на такой плоский экран лазерный луч, то над ним возникает трехмерный образ. Иными словами, вся информация, необходимая для создания трехмерного образа, закодирована и нанесена на плоский двумерный экран при помощи лазеров. Примерно так R2-D2 из «Звездных войн» проецировал образ принцессы Леи, и так же создаются дома с привидениями в Диснейленде, где вокруг вас скользят трехмерные призраки.
Этот принцип справедлив и для черных дыр. Как мы видели ранее, если бросить в черную дыру энциклопедию, то, согласно квантовой механике, содержащаяся в книге информация не может исчезнуть. Так куда же она девается? Одна теория постулирует, что она распределяется по поверхности горизонта событий черной дыры. Так что двумерная поверхность черной дыры содержит полную информацию обо всех трехмерных объектах, которые попали внутрь.
Из этого тоже вытекают далеко идущие выводы для нашей концепции реальности. Мы уверены, что представляем собой трехмерные объекты, способные передвигаться в пространстве и описываемые тремя числами – длиной, шириной и высотой. Но это, возможно, иллюзия. Возможно, все мы живем в голограмме.
Может быть, тот трехмерный мир, который мы воспринимаем, – всего лишь тень реального мира, который на самом деле является десяти- или одиннадцатимерным. Перемещаясь в трех пространственных измерениях, мы воспринимаем таким образом движение нашего реального «я» в десяти или одиннадцати измерениях. Когда мы идем по улице, наша тень следует за нами и движется подобно нам, за исключением того, что она существует в двух измерениях. Аналогично и мы сами, возможно, представляем тени, движущиеся в трех измерениях, но наши настоящие «я» при этом двигаются в десяти или одиннадцати измерениях.
Короче говоря, мы видим, что со временем теория струн приносит новые, совершенно неожиданные результаты. Это означает, что мы до сих пор по-настоящему не понимаем фундаментальные принципы, которые за ней стоят. Вполне возможно, что надо говорить вовсе не о струнах, поскольку при формулировании теории в одиннадцати измерениях струны могут быть описаны как мембраны.
Вот почему пока рано тестировать теорию струн экспериментально. Когда нам удастся раскрыть истинные принципы, стоящие за ней, мы, возможно, найдем способ ее проверить. Тогда мы сможем сказать определенно раз и навсегда, что такое теория струн – теория всего или теория ничего.
Несмотря на теоретические успехи теории струн, в ней по-прежнему хватает слабых мест. Любая теория с такими грандиозными заявками, как у теории струн, естественным образом привлекает внимание целой армии критиков. Приходится постоянно напоминать себе слова Карла Сагана, который сказал, что «чрезвычайные заявления требуют чрезвычайных доказательств».
(Мне вспоминаются также слова Вольфганга Паули, который умел мастерски осадить человека. Слушая чье-нибудь выступление, он мог запросто сказать: «То, что вы рассказали, было настолько путано, что невозможно понять, чепуха это или нет»[44]. Он также любил говорить: «Я не против того, что вы медленно думаете, но меня совершенно не устраивает то, что вы публикуетесь быстрее, чем думаете». Если бы он был жив, то вполне мог бы адресовать эти слова и теории струн.)
Идет настолько жаркий спор, что лучшие умы физики разделились надвое по этому вопросу. Подобного раскола наука не видела со времен Шестого Сольвеевского конгресса 1930 года, на котором Эйнштейн и Бор сцепились друг с другом по вопросу квантовой теории.
Нобелевские лауреаты тоже заняли противоположные позиции. Шелдон Глэшоу написал: «За годы напряженной работы десятков лучших и умнейших не получено ни одного проверяемого предсказания, да и в ближайшее время вряд ли стоит их ожидать»[45]. Герард 'тХоофт пошел еще дальше, заявив, что интерес, окружающий теорию струн, можно сравнить с «американскими телесериалами», то есть сплошная реклама и шумиха и ничего по существу.
Другие, наоборот, превозносят достоинства теории струн. Дэвид Гросс написал: «Эйнштейн был бы доволен, по крайней мере, целью, если не реализацией… Ему бы понравился тот факт, что в основе здесь лежит геометрический принцип, который мы, увы, по-настоящему пока не понимаем».
Стивен Вайнберг сравнил историю развития теории струн с историей поиска Северного полюса. На древних картах Земли в том месте, где должен был находиться Северный полюс, изображалась громадная бездонная дыра, но никто и никогда на самом деле ее не видел. В любой точке Земли компасы указывали на это мифическое место. Но все попытки отыскать пресловутый Северный полюс заканчивались неудачей. В глубине души древние моряки понимали, что какой-то Северный полюс должен существовать, но доказать это никто не мог. Некоторые сомневались даже в его существовании. Однако в 1909 г., после многих столетий догадок и домыслов, Роберт Пири добрался наконец до настоящего Северного полюса.
Критик теории струн Глэшоу признал, что в этом споре он находится в меньшинстве. Однажды он заметил: «Я кажусь самому себе динозавром в мире выскочек-млекопитающих»[46].
Против теории струн выдвигаются несколько основных возражений. Ее критики утверждают, что эта теория – сплошной хайп, что красота сама по себе – ненадежный проводник в физике, что теория предсказывает слишком много вселенных и, самое главное, что она непроверяема.
Великого астронома Кеплера однажды подкупила сила красоты. Он влюбился в теорию, согласно которой Солнечная система напоминала коллекцию правильных многогранников, вставленных один в другой. Столетия назад греки насчитывали пять таких многогранников (это куб, пирамида и т. п.). Кеплер заметил, что, вставляя последовательно эти многогранники один в другой, наподобие матрешки, можно воспроизвести некоторые детали Солнечной системы. Идея была красивая, но оказалась совершенно неверной.
Не так давно ряд физиков раскритиковали теорию струн на том основании, что красота – обманчивый критерий в физике. То, что теория струн обладает блестящими математическими свойствами, не означает само по себе, что она содержит хотя бы крупицу истины. Они справедливо указывали, что красивые теории иногда заводят в тупик.
Однако поэты часто цитируют стихотворение «Ода греческой вазе» Джона Китса:
Поль Дирак, безусловно, следовал этому принципу, когда писал: «Научный работник в своих попытках выразить фундаментальные законы Природы в математической форме должен стремиться главным образом к математической красоте»[48]. Мало того, по его словам, он открыл свою знаменитую теорию электрона, не копаясь в данных, а играя с математическими формулами.
Но, каким бы мощным фактором в физике ни была красота, она, безусловно, может увести с истинного пути. Как писала физик Сабина Хоссенфельдер, «красивые теории опровергались сотнями – теории о единых взаимодействиях, о новых частицах, о дополнительных симметриях и других вселенных. Все эти теории были неверны, неверны, неверны. Ясно, что полагаться на красоту – не лучшая стратегия»[49].
Критики утверждают, что теория струн красива математически, но это, возможно, не имеет никакого отношения к физической реальности.
В подобном замечании есть своя правда, но следует понимать, что отдельные аспекты теории струн, такие как суперсимметрия, нельзя назвать бесполезными для физики. Хотя доказательств существования суперсимметрии до сих пор не найдено, доказано, что она необходима для устранения многих дефектов в рамках квантовой теории. Взаимно компенсируя бозоны и фермионы, суперсимметрия позволяет нам решить давнюю проблему – устранить расходимости, которыми грешит теория квантовой гравитации.
Поделиться книгой: